激光聚变冲击波被动式测速光学系统设计

针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求,设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃,实现了透射式300～800nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头,中间为平行光,镜头间距可变,光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器,轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质,轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置,激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4,宽谱工作物方分辨率优于10μm,532nm单波长工作物方分辨优于5μm。该光学系统光路排布灵活,可单独被动测速,也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统,满足激光聚变装置冲击波测速的需求。     

神光-Ⅲ原型装置用速度干涉仪的光学系统设计

基于激光多普勒频移效应研制了一套应用于惯性约束聚变(ICF)研究的任意反射表面干涉测速系统(VISAR)。采用532nm的照明激光设计了一套光谱带宽为0.2nm的光学系统,通过合理选材,保证了光学系统的防辐射性能;基于光学膜系设计,滤除了526nm的强干扰打靶激光以及其它波段的杂散光;采用模块化方法并设计光学铰链进行模块对接,简化了系统调试的复杂程度;利用激光对干涉仪粗调,再利用白光精调,实现了零程差调试。设计的系统光路总长为6.3m,物方视场范围为φ1.0mm,放大倍率为5×、10×;静态实验显示,干涉条纹平直、调制度达到0.67以上,物方分辨率达到5.3μm。目前,该系统已成功地在神光-Ⅲ原型装置上进行了动态实验。     

聚变反应速率测量光学系统设计

基于塑料闪烁体和条纹相机设计了聚变反应速率测量系统,论述了测量光学系统的工作原理和设计方法。通过设置防辐射石英玻璃窗,防止了光学元件受强X射线辐射而变暗;采用晶体等紫外透过率高的光学材料,满足了光学系统对透过率的要求;光学系统像面与条纹相机的阴极面直接对接,解决了条纹相机孔径不匹配的问题;最后在一次像面设置场镜,大幅缩小了光学元件的口径。设计的光学系统总长为2 660mm,放大倍率为1/3,像方F/#数达到0.667,系统透过率达到67%,时间弥散小于7.3ps。这些结果能够适应不同中子产额的实验需求,在激光打靶实验中取得了较好的实验效果。     

激光相关固体表面测速系统的LabVIEW仿真研究

介绍一激光相关固体表面速度测量系统的结构及测量原理 ,并针对这一测速系统 ,运用 Lab VIEW图形化编程语言 ,实现了该测速系统中两路随机调制信号的仿真 ,并研究了测速系统中由于信号调理电路的前置放大倍数不一致、系统加性噪声以及采样速率等因素对这一数字相关测速系统测量精度的影响 ,得出该系统测量精度主要是由采样速率引起的结论 ,由这一结论出发 ,提出一种变采样速率的方法用于提高该系统的测量精度 ,仿真结果表明这一方法的有效性     

光学互相关测速系统设计与验证

针对两相流颗粒运动速度测量及基于互相关原理设计了双光路激光测速系统。采用搭建的变频电机带动绕丝产生已知旋转线速度的装置开展光学互相关测速验证实验。通过测量绕丝经双光路激光的光强衰减信号,再对两路信号进行互相关分析,从而得到测点绕丝旋转线速度。以电机转速计算的测点绕丝线速度作为参考值进行测量精度验证,得到光学互相关测速方法的测量相对误差在6%以内,验证了光学互相关测速方法的准确性。     

用于小零件图像测量的双远心光学系统

为了能精确得到被测物体的几何参数,设计了一种采集物体图像的双远心光学系统,并通过数字图像处理技术对物体尺寸进行测量。用Zemax对系统进行优化,分析了系统的像差和传递函数,所设计系统的工作距离大于74mm,物方视场直径达到80mm,畸变小于0.11%,CCD全视场190lp/mm处传递函数大于0.3。分析了光学系统的放大倍率稳定性和测量误差,并对小零件进行了测量,测量误差在允许的范围内,符合测量要求。     

色散聚焦分离式彩色共聚焦测量系统研究

为了满足先进制造工艺的对检测技术越来越高的要求,对材料表面的测量既有高精度的要求,同时也有快速检测的需求。彩色共聚焦测量技术从原理上避免了轴向扫描过程,与传统的激光共聚焦技术相比,具有明显的测量速度优势,可针对大尺寸的被测物表面形貌进行快速化检测。通常情况下,针对不同测量需求的被测对象,需要设计不同的彩色共聚焦系统核心部件-色散物镜,增加了系统的复杂性。针对这一情况,采用色散和聚焦分离的设计方式,通过切换物镜参数的方式,快速有效地实现不同测量需求。所设计的大范围色散元件结合不同聚焦物镜时,能实现对色散范围的调制,并以此为基础搭建了聚焦和色散分离的彩色共聚焦系统。实验结果表明,采用不同参数物镜时,可实现对量程和分辨率的调制;其中,当采用10×(NA=0.3)物镜时,可获得轴向225μm的线性色散,此时测量系统的轴向测量精度优于0.2μm。     

全孔径背向散射诊断光学系统

基于新的激光聚变驱动装置的需要,设计了全孔径背向散射诊断光学系统并介绍了光学设计中涉及的若干关键技术。采用低反射率的楔形反射镜衰减背向散射光能量,降低后继元件对光学薄膜损伤阈值的要求。通过缩束镜缩小光束口径,减小光学元件尺寸;同时采取折叠光路结构来缩小系统体积。对空间滤波器和光学滤片进行组合,屏蔽了打靶倍频光干扰及不同散射类型的相互串扰。采用光学白板对色散严重的背向散射光进行漫反射匀化,使光谱测量系统获得完整的光谱信息。最后,选取抛物面为空间分布成像目标面,通过分析空间分布成像光束的结构设计了成像镜头。设计的诊断光学系统具有散射时间测量、光谱测量、空间分布成像、能量测量等功能,光学测量模块尺寸为1.9m×0.9m×1.5m。该全孔径背向散射诊断光学系统在新的激光聚变驱动装置中具有潜在的应用价值。     

大靶面激光光幕靶研究

针对大靶面、高精度弹丸速度测量的要求,提出一种新型激光光幕靶弹丸速度测量系统。该系统采用大功率90°扇形线状激光器做为光源,两列高灵敏度光电二极管阵列作为接收装置,当弹丸穿越激光光幕面时,遮挡了部分投射在光电二极管上的光线,光电二极管产生微弱电信号,经放大、整形后输出一个脉冲信号,触发计时仪开始或停止计时。两台同样的装置配合测时仪,便可组成激光光幕靶测速系统。经实弹实验证明,该系统具有高灵敏度和高精度的特点。     

基于FPGA的增益可调微弱信号采集系统设计

针对以往采集电路中放大倍率固定,适用的采集环境单一,不可灵活调理实际微弱信号的现状,设计了基于FPGA的增益可调微弱信号采集系统,该系统以FPGA为核心,以集成运算放大器OP37G,模拟开关DG611DY组成增益可调放大电路,具备了×0.5,×2,…,×100,×200等10种放大倍率可编程控制的功能,以高精度模数转换芯片AD7865为采集芯片,实现了高精度微弱信号的采集。试验结果表明:系统在多种微弱信号环境下经增益电路放大后,各通道采样精度均能达到0.1%。系统可灵活应用于多种微弱信号采集环境,稳定可靠,已成功应用于某微弱信号测试场合。     

光纤熔接机高清显微物镜光学系统设计

在光纤熔接过程中,为了实现光纤高质量熔接,需要一个高清显微物镜来确保纤芯的准确对准。运用Zemax软件设计一款用于光纤纤芯对准的显微物镜,该物镜由6片透镜组成,放大率为8倍,数值孔径为0.25,工作距为13.4mm,共轭距为85mm,以CCD作为图像接收器件。显微物镜采用正向光路进行优化设计,正向光路设计的显微物镜更能贴近实际使用状态,能够更加清晰准确地检测到纤芯位置。该物镜工作波长为486~656nm,具有工作距离长、共轭距短、精度高等特点。     

数字X线影像仪中激光扫描光学系统的设计

数字X线影像仪是计算机和激光技术快速发展的产物,而其中的激光扫描光学系统是其核心技术之一。针对数字X光影像仪的使用特点,对激光扫描系统中的Fθ镜头、光束扩展器、扫描器这几个关键部件进行了较详细的论述分析,提出并解决了其中一些关键问题,如光阑位置浮动对像质的影响、影响系统扫描光点大小的因素、扫描器的确定等。最后用ZEMAX光学设计软件对系统的光学性能进行了设计模拟,得到扫描光斑直径小于0.1mm、焦距和视场满足线性关系的设计结果。像质评价分析结果表明,所设计的镜头像质优良,轴上与轴外质量相当,像质达到衍射极限。     

复合式多点测量速度干涉仪光学系统设计

为满足爆炸冲击作用下物质界面的速度测量需求,设计了一种复合式多点测量的速度干涉仪。采用物方和像方双远心光路,将光纤阵列出射的照明激光定点投射到待测物面上,实现了针状滴注式照明,充分利用了照明激光能量,且保证了待测物面在运动过程中具有恒定的照度。成像系统像面采用末端为大芯径的锥形光纤接收信号光,既保证了物面运动过程中信号光与光纤的有效耦合,又保证了信号的单模输出,以便进入单模光纤马赫-曾德干涉仪进行差频干涉。采用具有微小楔角、沿直径方向镀矩形带状45°反射膜的反射镜,将照明光路与成像光路同轴,并校正了成像系统的大量像散。该干涉测量系统在物面运动10mm的行程中,物面滴注式照明照度保持恒定,像面光斑大小没有超出大芯径的光纤芯径。此光学系统能够满足爆炸冲击界面的大行程速度测量需求。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

0.25×高分辨力视频显微镜设计

由于CMOS、CCD探测器的广泛应用,及其分辨力的提高,人们对视频显微镜的分辨力提出了更高的要求。分析了大视场视频显微镜的像差特点,并利用光学设计软件Zemax进行光学效果的模拟,给出了数值孔径0.05,光学放大倍数0.25,视场直径为31mm,分辨力200万像素光学系统的设计结果。     

应用于纳米级聚焦离子束系统的静电透镜设计

在不同束流和能量下对离子光柱体进行了优化设计。给出了用阻尼最小二乘法设计的单个透镜和透镜系统,并研究了像平面处的离子束性能。采用先分解再组合的方法确定单个透镜参数,并以大束流、无限大放大倍数下像差系数与焦距的比为优化目标。选取工作模式时综合考虑了系统的光学性能和可实现性,大束流下采用平行模式,小束流下采用交叉模式,设计的透镜系统在大、小束流下分别选轴上像差和放大倍数为优化目标。计算表明,2 nA束流下像差为16.33 nm,放大倍数为-0.539 095 5,束斑直径为31.52 nm;2.5 pA束流下像差为2.15 nm,放大倍数为0.084 359 9,束斑直径为4.73 nm。此离子光柱体能够获得纳米量级的离子束,并且只需调整第二透镜第二、第三电极之间的距离以及第二电极电位(对源)就能改变样品处的束能,增加了光柱体的应用范围,实现了一套系统内同时具有刻蚀、沉积、注入和离子成像等功能。