优化设计提升激光扩束系统热稳定性：波像差减小4倍

本文主要探讨了在热载荷环境下如何优化激光扩束系统的光机结构，以提高其温度适应性和光学性能。研究者针对激光扩束系统面临的热稳定性问题，提出了一个直接针对光学系统波像差的光机结构优化方法。首先，他们通过敏感度分析来确定系统各部件对波像差的影响程度，这一步骤对于理解和控制系统的稳定性至关重要。 接着，作者利用齐次坐标变换将波像差的失调模型与有限元分析中的节点应变相结合。这种整合使得优化过程更加精确，能够有效地捕捉到温度变化对光学系统性能的实际影响。优化目标设定为最小化失调波像差，通过这种方法，研究人员找到了支撑结构的最佳材料分布，即材料拓扑结构。 优化过程涉及对镜架进行分块划分和尺寸调整，以确保在满足力学强度的同时，最大限度地减小温度变化带来的波像差变化。具体来说，经过优化后，当系统处于-50℃时，扩束系统的波像差均方根(RMS)值从原始的0.728λ降低到了0.196λ，对于λ=632.8nm的光波而言，这是一个显著的改善。此外，在±50℃的温度范围内，即使在同等载荷条件下，优化后的系统波像差RMS值也仅为优化前的四分之一，这意味着优化后的系统具有更高的稳定性和更佳的温度适应性。 这篇论文展示了一种有效的方法，即通过光机结构优化技术，增强激光扩束系统在高温环境下的性能，这对于许多依赖于激光技术的工业应用，如精密制造、科研实验等，具有重要的实际意义。优化后的系统不仅提高了工作效率，还降低了由于温度变化导致的误差，从而提升了整体系统的可靠性。