为解决单点金刚石车削技术（single-point diamond turning，SPDT）应用于大口径大弦高非球面铝反射镜加工中遇到的车床导轨行程、工作台回转容积受限和加工质量较低的问题，针对?682mm 口径、弦高220 mm 的凹非球面铝反射镜加工，首先，提出基于SPDT 的三轴联动加工方法，在两轴加工基础上加入旋转B 轴进行协同加工，使得导轨行程和工作台回转容积能够满足加工需求。然后，设计专用笼状夹具，并通过有限元法研究支撑杆数量、杆径、上下连接板厚度参数对夹具-工件形变特征的影响，通过极差和方差分析研究不同因素对夹具-工件最大变形量影响的显著性，得到一组最佳夹具设计参数组合，即夹具支撑杆数量为24，杆径为22mm，上下连接板厚度为25mm。最后，将铝反射镜固定在优化后的笼状夹具上，通过三轴联动加工实现了对?682 mm 口径非球面铝反射镜的加工。对调刀件的检测结果表明：调刀件面形精度Pv 值为0.6 ?m，表面粗糙度Ra 约为10.1 nm，可认为682mm 口径非球面铝反射镜的面形精度和表面粗糙度均达到使用要求。本研究能够为同类大口径大弦高非球面反射镜的加工提供一定的理论基础和加工工艺技术参考。

为了同时满足激光装置对大口径反射镜面形精度和结构稳定性的控制要求,提出了一种反射镜多自由度解耦的多点夹持方式,通过限位实现对反射镜多自由度的控制,以此避免由夹持带来的附加面形。采用有限元法分析了所提方式的有效性,并通过实验验证了分析方法及该夹持方式的可行性,结果表明采用该反射镜夹持方式带来的附加面形较小,满足反射镜低应力附加夹持面形的要求。在此基础上,对45°倾斜放置的反射镜的面形进行了模拟,探究了不同夹持点位置分布对反射镜面形精度的影响规律,模拟结果表明:为了保证反射镜的面形精度,至少要有一个夹持点位于反射镜的长边。该研究成果对大口径反射镜夹持设计具有重要的指导意义。

反射镜的面形精度是保证空间望远镜成像质量的关键因素, 随着空间遥感器口径的增大以及光机结构的轻量化使得反射镜结构刚度越来越低, 从而使得反射镜的面形非常容易受到环境微振动的影响。然而, 遥感器在轨工作状态下, 星上具有多种振动源, 如步进电机、动量轮、机械制冷机等。为了研究扰动源对反射镜面形动态误差的影响, 提出了一种基于模态叠加和泽尼克多项式拟合的面形动力学响应分析方法。对于每一阶模态, 其光学表面的振型均可以表示为一组泽尼克多项式的线性组合, 并得到一组泽尼克系数。然后, 通过模态叠加法可以求出反射镜表面整体的动态面形误差, 该误差是由泽尼克系数所表示。由于每一项泽尼克系数对应明确的物理像差含义, 所以通过该方法可以方便地分析微振动引起的光学面形响应以及系统像差。

从惯性约束聚变系统高功率固体激光驱动器中具有典型意义的大口径激光传输反射镜的装配结构及其面形精度特点出发，对其波前误差进行了精细化建模分析，分别研究了粗糙度、纹波度和轮廓度的波前误差模型。在此基础上，进一步针对如何在装校过程中将装配应力产生的波前误差控制在合理范围内的问题，提出了方均根梯度与峰谷值相结合的波前误差评价和控制方法，并通过实验验证了其可行性，以期为我国神光-III主机装置大口径反射镜装校过程中波前误差控制提供科学指导方法。

从惯性约束核聚变(ICF)装置中具有重要作用的大口径激光传输反射镜出发, 基于中国神光-Ⅲ主机装置的工程实践, 分析了大口径激光传输反射镜夹持工艺的技术现状和难点, 建立了大口径反射镜受夹持力变形的通用力学模型, 提出了基于挠性零件的全新低应力夹持工艺, 并利用有限元仿真和现场实验相结合的方法对挠性零件的力学特性进行了工艺效果验证。基于挠性零件的特点设计了新的全口径反射镜组件, 对比研究了新旧工艺下夹持力对面形畸变(波前误差)的影响。最后, 结合全新反射镜组件和夹持诱导畸变数值解耦方法构建了更加高效的完整装配工艺流程。该研究对解决大口径光学元件夹持诱导变形这一难题具有重要意义, 有望为建设下一代ICF装置提供更加高效、可靠的技术方案。

针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证, 然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明, 采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8 nm), 镜体刚体位移小于0.01 mm, 镜体转角小于2″, 质量小于50 kg。整个组件模态分布合理, 基频为161 Hz, 远高于设计要求的120 Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好, 满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化，实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理，分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理，提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法; 针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象，求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示: Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%，而球面方程拟合法的计算精度为12.6%; 对仿真分析结果的误差评价表明，采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右，与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明，由于Zernike多项式拟合法自身的局限性，不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合，而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。