本文是一篇单一原创研究（类型a）的学术报告，以下是根据文献内容撰写的详细介绍：

主要作者和研究机构
本文的主要作者包括 Konstantinos Vogiatzis、Lianqi Wang、Melissa Trubey、Ben Irarrazaval、Corinne Boyer，研究机构为 TMT International Observatory，位于美国加州帕萨迪纳。研究发表在 Proceedings of SPIE 的第 13099 卷，文章编号为 130992L，预计于2024年出版。

研究背景
本研究隶属于天文学中有关极大口径望远镜和激光导星技术的领域。三十米望远镜（TMT）国际天文台的激光导星系统（Laser Guide Star Facility，简称 LGSF）是支持自适应光学（Adaptive Optics，缩写 AO）系统的关键组件，其主要功能是通过产生和投射人工导星，减少大气扰动对望远镜观测质量的影响。在系统设计中，热效应和气流的影响对光学系统的性能有一定负面作用，因此本研究的开展旨在创建一个全面的气动热建模框架，对 LGSF 系统的各组成部分进行研究优化以满足性能需求。研究目标包括评估由热透镜变形引起的焦点误差、光束抖动及外部表面温度的分布。

研究的目标
研究旨在通过气动热模型框架，用于分析和优化整个 LGSF 系统的热效应影响，主要关注以下几个方面：
1. 评估热透镜变形导致的焦点误差；
2. 评估系统光学路径上引起光束抖动的光学路径差异（Optical Path Difference，缩写 OPD）；
3. 获取组件外部表面温度并分析其对天文台热湍流的贡献；
4. 为系统的最终设计提供性能输入并提出优化建议。

研究流程
本研究过程分为以下几个阶段，详述各阶段的分析框架和实验方法：

1. 模型设计及工具开发

这项研究开发了一个面向整个 LGSF 的气动热建模框架，包含以下独立的“共轭热传递模型”（Conjugate Heat Transfer Models）：
- 激光头（Laser Head, LH）、激光工作台阵列（Laser Bench Array, LBA）；
- 光学路径指向阵列（Truss Pointing Array, TPA）；
- 光束传输管道（Beam Transfer Duct, BTD）；
- 顶端（Top End, TE）组件包括激光发射望远镜（Laser Launch Telescope, LLT）；
- 位于光路和顶端的电子设备柜（Electronics Cabinets）。

模型包括：外壳、隔热材料、光学元件（透镜、镜片）、执行装置、电子元件，以及与这些组件相关的空气环境。通过计算每个结构和光学元件的温度，结合组件功率消耗及环境条件，研究其气流和温度的相互作用对系统性能的影响。

此外，模型中还引入了专门开发的数据处理工具，如 MATLAB 后处理器，用于将温度场转换成空气折射率分布及 OPD 图谱。

2. 逐步研究流程

研究分为多个独立子模型，每个子模型分别负责核心光学组件的研究，其数据及气流输出相互传递，形成完整的模拟链条。

2.1 激光工作台阵列模型（LBA）

LBA 模型由 8 个激光工作台（LB）组件组成，每组件含 11 个独立固体区域，以及用于连接传输的管道和支撑结构。此外包括空气区域和组件内部的机械支架。模型对激光传输介质（空气）的流型进行了深入研究。

2.2 光束传输管道模型（BTD）

该模型测试了光束传送中的热传递和气流效应，包括各级光学折叠阵列（HexFAS）封装。模型中分区域评估了空气流态与各光学器件包围结构间的热相互作用，确保抖动及焦点误差在合理范围内。

2.3 激光发射望远镜模型（LLT）

LLT 模型专注于关键光学组件透镜（如 LL1 及 LL2）的热变形效应，模拟了透镜吸收激光功率后的温度场分布，重点观察由于厚透镜设计导致的温度梯度和光束抖动。

2.4 电子柜制冷模型（TE Electronics）

电子柜外壳温度对望远镜“圆顶热湍流”（Dome Seeing）的贡献被独立分析。TE.el4 模型通过冷板冷却模拟并评估散热效率，深入研究高功耗组件对局部温度场的影响。

3. 关键优化实验

研究中使用气动热建模框架，进行了多项设计优化实验：

3.1 光束稳定性优化 1. 在 RL 和 CL 透镜间增加通风间隙，尽量降低热透镜效应；
2. 在 LL1 和 LL2 的设计方面，减少长光管光罩的长度，确保透镜具有较强冷却能力，同时减少厚度以降低功率吸收。

3.2 杂散气流与光学干扰改善
为改善激光工作台的气流模式，研究了增压入口位置和空气流率分布的优化效应，确保吹除可能的热干扰效应。

3.3 电子柜温控调整
通过组件重新排列及加强冷却路径，消除局部热点，最终将表面温升控制在 1.5K 范围内。验证了冷板系统的高效性，热负载管理问题得以解决。

研究结果
研究成功建模并模拟了 LGSF 系统组件的热性能，具体结论如下：
1. 焦点误差（Focus Error）：RL 和 CL 的焦点误差在初始状态迅速稳定，而 LLT 的焦点误差因较大的热惯性需要动态补偿，但对捕获过程无影响。
2. 光束抖动（Beam Jitter）：主要为低阶模态误差，中高频误差可以忽略，未显著影响整体误差预算。
3. 散热优化：LLT 的热分布对关键透镜进行了优化设计，电子柜的热负荷得到有效控制。

研究价值与意义
本研究对天文望远镜中激光导星系统的设计和优化提供了全面的理论支持，所开发的气动热建模框架对复杂天文系统的设计具备高度的参考价值。通过研究，显著改善了系统光学表现、热稳定性及散热需求，为未来更高性能的自适应光学系统设计奠定了坚实基础。

研究亮点
1. 提出了一个创新且全面的气动热建模框架；
2. 首次系统性分析了 LGSF 中热-光学效应的细节；
3. 提供了组件间的精细热力学耦合数据，为天文台热管理提供了理论支持。

其它信息
研究得到了多国机构及科研基金的支持，包括 Gordon and Betty Moore Foundation，以及相关天体物理研究合作组织，如 California Institute of Technology (Caltech)、National Research Council of Canada (NRC-CNRC) 等。