采用H-S波前传感器探测虚共焦非稳腔输出光束波前像差

在腔内失调理论分析基础上,实验研究了无源虚共焦非稳腔失调前、后输出光束波前像差特性。结果表明,用Hartmann-Shack波前传感器进行探测,并用模式法进行波前重构可以较好反映输出光束波前像差,虚共焦腔耦合输出调腔光的波前Zernike像差主要集中在前15阶,其中比较显著的像差有离焦Z3、低阶像散Z4和Z5、以及球差Z10。且腔内倾斜扰动对光束强度分布有显著的影响,可能引起某些Zernike高阶像差如离焦、慧差和像散的增加,但首先带来的是Zernike倾斜像差的增大。因此在作腔内像差补偿时,应首先考虑腔内倾斜像差的补偿。     

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

失调三反消像散光学系统像差特性

文中以矢量波像差理论为基础,对TMA 光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调TMA 系统的初级球差在全视场内为常量,彗差在全视场内的方向与量值均为常量,由失调引入的像散表现为失对称性、像散值与视场成线性,其零点位于中心视场。在校正失调产生彗差时,TMA 系统像散零点位于轴上视场,像差接近于零,而边缘视场的像散依然较大,因此在TMA 系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差。在同样情况下若轴上视场测量到像散,则是由于主镜的面形误差导致而非系统失调引起。利用CODE V对失调TMA系统的失调像差分布进行仿真,结果表明,利用矢量波像差理论可以对失调TMA系统的像差进行定性分析,以提高TMA 系统的装调效率。     

宽波段全息罗兰光栅的优化

罗兰光栅存在的主要像差是像散和弧矢彗差,影响其光通量和光谱分辨率。根据凹面全息光栅的几何像差理论,分析了记录光源点在罗兰圆外所制作的全息罗兰光栅的宽波段像差特性。发现像散和弧矢彗差能够在两个波长处被同时消除;并且在两波长之间的波段范围内,像散和弧矢彗差相对传统光栅均得到明显改善。基于此像差特性提出一种设计宽波段高分辨罗兰光栅的方法,通过选择适当的使用结构和校正波长,能够在整个使用波段有效地校正像散和弧矢彗差。利用这种优化方法设计了工作波段为160~600 nm的罗兰光栅。光线追迹结果显示,所设计光栅的光谱分辨率和能量集中度在整个使用波段较传统光栅均有显著提高。     

失调卡塞格林光学系统像差特性的研究

以矢量波像差理论为基础,对卡塞格林光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调的卡塞格林系统不会引入新的像差,只是会导致三阶像差在像面上的分布发生变化,球差在全视场内为常量,彗差零点不再位于视场中心,像散在视场内存在两个零点且不再关于中心视场对称。在校正失调产生轴上彗差的情况下,卡塞格林系统的一个像散零点位于轴上视场,轴上视场的像差接近于零,但是边缘视场的像散依然较大,因此在卡塞格林系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。利用CODE V 对失调卡塞格林系统的像差在视场上的分布进行仿真,结果表明利用矢量波像差理论可以对失调卡塞格林系统的像差进行定性分析,以提高卡塞格林系统的装调效率。     

基于Zernike模式法的变形反射镜补偿面型求解方法

针对变形反射镜校正非垂直入射畸变波前时,补偿面型求解的复杂性,借助波前补偿原理,提出利用变形反射镜对系统Zernike波像差的响应矩阵求解变形镜补偿面型的方法。结合Zernike模式法复原波前,利用CODEV仿真分析变形镜补偿畸变波前过程。以某红外自适应光学系统为例,仿真验证补偿效果。此方法能够简化变形反射镜控制算法,加深对自适应光学原理的认识。     

高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响，开展了理论和实验研究。首先，选择三种非稳腔输出的典型高功率激光，激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW，通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后，利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终，激光远场光束质量中的Strehl比，因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明，由于内光路反射镜的热变形，远场光束将出现偏心和像散的现象，其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加，Strehl比减少而因子增加，远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加，将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比，建立了一个测量反射镜热变形实验平台，实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜，通过等效放大原理，实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15，并和仿真结果吻合得较好。结果表明，反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略，且随着激光功率及反射次数的增加，这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导，并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

具有主观视觉补偿的人眼像差测量方法

为了准确测量人眼的各种低阶像差以及不规则的高阶像差,采用具有主观视觉补偿的人眼波前像差测量方法,进行了理论分析及实验验证,在客观测量的同时进行了主观视觉补偿,得出了测量的准确数据。结果表明,主观视觉补偿测量的波前像差小于客观测量的结果,被测者在观察视标时的适应性调整减小了波前像差,并且对于观察不同的视标时,波前像差的波动值较小。采用主观视觉补偿的测量方法,考虑实际观察目标时眼睛的状态,能够很好地对人眼像差进行补偿,得到符合实际状态的眼像差,这对制定人眼像差的治疗方案是非常有帮助的。     

基于ANSYS的圆截面激光晶体的热变形分析

为了研究圆截面Nd:GdVO4激光晶体在端面抽运下的温度场和热变形场,考虑弹性体的协调性,采用有限元方法进行了分析,得到了端面抽运激光晶体棒内温度场和热形变场的数值解,并与相同条件下传热学方法计算结果进行了比较。结果表明,两种方法具有相同的最高温度,但有限元法计算所得最大变形量偏小。这一分析结果对端面抽运固体激光的优化设计提供了参考。     

激光辐照下锗材料热形变的实验研究

红外光学系统的镜片组件在环境温度较高时会发生热形变,特别是在局部温度过高时,镜片的面形、厚度的变化会对成像质量有着不可忽视的影响。为了研究红外光学镜片的热形变,利用波长为1.06μm准连续激光辐照锗单晶平片,实时监测锗材料在不同辐照时间下的形变及对成像质量的影响。所得实验数据可为镜片热形变的理论分析提供参考。     

装夹方式及预紧力对透镜像差特性的影响规律

高精度光刻物镜中的光学透镜在自身重力以及装夹预紧力的作用下,面形会发生变化,从而会对光学系统各种像差造成影响。在考虑透镜自重的情况下,研究了镜片夹紧方式及夹紧力对其像差的影响规律。分别在镜片顶面和侧面施加2～6点均布、均匀载荷,且每种加载情况下夹紧力线性增大,通过有限元仿真计算出各种受力情况下的镜面变形;将变形量数据用66项标准Zernike多项式进行拟合,分析载荷均布点数以及载荷力大小对透镜像差的影响。分析结果表明:各种加载工况下透镜像差中的重要影响项皆为平移、离焦、球差和n-foil(n为均布载荷点数);重要影响项所对应Zernike多项式的系数变化与夹紧力变化呈线性关系。分析结果为补偿透镜像差提供了依据,并能指导像差校正的透镜设计。     

机器人热影响模型分析及动态精度补偿

如何提高机器人定位精度是机器人柔性化加工中重点研究的问题,而温度变化引起的机构热变形是影响定位精度的重要原因之一。分析了机器人自身发热及现场环境温度变化对各轴运动学参数及末端定位精度的影响,采用有限元原理构建机器人的温度分布及热变形模型。针对两种热影响模型提出了温度补偿的策略,重点对机器人自身发热情况下的运动学参数显著相关性进行了试验和理论分析。提出一种便捷的、适合工业现场环境的机器人自身发热影响动态补偿方法。综合以上原理实现的温度补偿策略,可以保证由温度变化引起的末端定位误差小于0.1 mm。     

基于梯度下降算法的初级球差校正

固体激光器在实际工作过程中会因腔镜热变形而产生球差效应,使激光的光强分布发生变化、聚焦能力下降、光束质量变差,因此需要校正。基于这一目的,利用梯度下降算法进行了初级球差的校正仿真。首先,建立了初级球差和变形镜模型,变形镜模型针对初级球差选取分立式环形阵列,镜面利用率高。然后,设计出算法的具体实现过程,算法以变形镜单元的位移量为控制对象,以离散化的各部分球差的方差为性能指标。最后,仿真并给出了性能指标与迭代次数的关系、校正后的球差等结果,结果显示达到了预期的校正效果。     

Thermal characteristics of jacketed optical fibers with initial imperfection

Thermal characteristics of optical loss and fiber strain in jacketed single-mode optical fibers with initial fiber axis deformation have been examined theoretically and experimentally. Fiber axis deformation due to temperature change is theoretically analyzed by applying buckling theory for a bar on an elastic foundation. Optical loss increase and fiber strain are measured for two kinds of fibers which have different initial fiber axis deformation. Experimental results approximately coincide with values calculated from the theory. It is clarified from these results that the fiber strain due to temperature change is smaller and loss increase at low temperatures is larger for the fiber with larger initial axis deformation. A design method for jacketed single-mode optical fibers to prevent loss increase at low temperatures is given.     

用脉冲激光饱和荧光法测定铀原子光吸收截面

本文介绍了用脉冲激光饱和荧光法，来测定铀的０－１６９００ｃｍ＾－１能级的吸收截面，讲述了测量光吸收截面的基本原理，实验测量过程，并用此方法测量铀原子光吸收截面和国外文献发表相吻合。     

Prediction and verification of process induced warpage of electronic packages

During the manufacturing, testing and service, thermally induced deformations and stresses will occur in IC devices and packages, which may cause various kinds of product failures. FEM techniques are widely used to predict the thermal deformations and stresses and their evolutions. However, due to the complexity of the real engineering problems, various assumptions and simplifications have to be made in conducting FEM modelling. Therefore, the applicability of the predicted results depend strongly on the reliability and accuracy of the developed FEM-based prediction models which should be verified before applications.In this paper, FEM models are developed to predict the thermal deformations of certain electronic packages and naked die samples under packaging and testing loading. For all the package constituents, appropriate material properties and models are used, including temperature-dependent visco-elasticity, anisotropy, and temperature-dependent elasticity and plasticity. To verify the developed FE models, a series of optical metrology tests are performed. A compact 3D interferometry testing system that can measure simultaneously out-of plane and in-plane deformations has been developed. Thermal deformation measurements are performed on samples of both real electronic packages and naked dies attached on a leadframe. Identical deformation patterns were found for the measured fringe patterns in the U-, V-, and W-fields and the simulated ones. Also, quantitatively, the maximum deformation mismatch between the predicted and tested results is within 15%. It is concluded that the thermally induced deformations predicted by the non-linear FEM models match well with measured deformations for both the naked die and the real packages.     

低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计

低轨道卫星热环境复杂恶劣,对遥感相机光机结构的热性能提出了严格要求。本文提出了一种基于在轨温度场的光、机、热一体化仿真分析方法,以某低轨道卫星相机为例,分别采用Thermal Desktop、MSC Patran/Nastran、Code V构建热分析模型、结构有限元分析模型、光学分析模型,分析得出了相机单次成像时间内最极端工况下各反射镜的平移、倾斜及镜间距变化量等结构变形特性,计算了光学系统MTF的变化,并剖析了系统传函的主要影响因素。然后从主承力结构的结构参数出发进行了优化设计,优化结果表明主承力结构线胀系数在(5~5.5)×10－6时系统热特性最优,系统传函满足指标要求。     

快反镜在高功率连续激光辐照下的热性能分析

为了研究高功率连续激光辐照过程中快反镜的热性能变化问题,文中利用多物理场仿真分析软件建立了融凝石英（fused silica）、微晶（zerodur）、碳化硅（SiC）三种材料制作的快反镜传热学和结构力学耦合非稳态模型,通过泽尼克多项式算法对高功率激光辐照快反镜热应力下的光学波前进行拟合。研究结果表明:在同等激光功率辐照条件下,微晶材料制作的快反镜温升最小,形变最小。根据仿真结果优选微晶作为快反镜镜体材料,基于泽尼克多项式对快反镜波前热畸变进行仿真分析,计算得到波前热像差以活塞、球差、离焦等为主导,可为波前校正工程应用提供理论参考。