微变形反射镜主要性能测试研究

微变形反射镜(MEMS-DM)是用于自适应光学中波前校正的重要元件。测试实验中对37单元微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了推导和全面测量,从而验证了其叠加性。由光学影响函数推导出了微变形反射镜的控制电压矩阵,利用电压矩阵校正了变形镜的初始面形。最后,对微变形镜校正波前畸变能力进行了测量和评估,得出关于优化微变形镜设计相关方面的一些结论。     

基于纳米磁性液体驱动的液态变形镜系统研究

波前校正器对自适应光学系统的性能起着关键性的作用。以纳米磁性液体为驱动载体,提出了一种新型液态波前校正器设计方法。与传统的固态变形镜相比,磁液变形镜具有镜面连续光滑、变形幅度大、制造成本低和驱动器易于扩展等优点。首先阐述了磁液变形镜系统的设计结构,提出了一种磁液表面银纳米薄膜自组装制备方法,用以提高磁液变形镜镜面反射率;然后结合建立的磁液变形镜镜面动力学模型,提出了一种镜面分布式PID控制方法;最后基于制作的磁液变形镜原型样机,搭建自适应光学实验平台对变形镜性能进行了实验验证,结果表明所设计的液态变形镜及其镜面控制方法能有效控制镜面变形,从而实现期望的光波校正性能。     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

自适应光学系统中非共轭问题对波前校正的影响

在常规的自适应光学系统中,变形镜与波前传感器满足共轭位置关系以保证最好的校正效果。现基于角谱理论,通过对光场线性传输过程的仿真,分析了波前传感器偏离与变形镜共轭的位置的情况下波前校正效果所受到的影响。结果表明,波前传感器偏离共轭位置的距离增大和共轭位置波前的增大,均会导致校正效果变差。     

模拟退火-爬山混合算法用于无波前传感器快速像差校正

为了校正激光光束波前像差,建立了一种基于压电微变形镜的自适应光学系统。提出了用模拟退火-爬山混合算法来控制系统中37单元单压电片变形镜,补偿激光光束波前像差,实现对光斑的快速校正。提出的混合算法先使用模拟退火算法为爬山法提供一个较好的校正起点,再用爬山法对像差进行精确校正,仅需要少量的模拟退火迭代过程即可提供一个好的校正起点。由于精确校正阶段的爬山法速度快,因此获得相同校正效果需要的迭代次数比普通模拟退火算法减少了50%以上;同时由于爬山法校正起点较好,大大降低了进入局部最优值的可能。最后,实验验证了模拟退火-爬山法对激光光束波前具有更佳的校正效率。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

外差探测系统波前校正实验研究

湍流效应是限制相干光通信系统性能最重要的影响因素。使用夏克-哈特曼波前传感器、变形镜和波前控制器组成自由空间相干光通信波前校正系统,对光波经过大气湍流后的畸变波前进行实时校正,其大气湍流是用基于修正Hill谱生成的不同强度随机相位屏模拟的。实验结果表明,波前校正系统实现闭环后的波前误差峰谷值(PV)小于0.8μm,均方根值(RMS)小于0.05μm,斯特列尔比(SR)大于0.8。若将以上波前校正系统应用到相干光通信系统中可使误码率可以降低到10~(-12)数量级,提高了系统的通信性能。这将为自由空间光外差探测系统搭建实际链路提供了可靠数据参考。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

961单元自适应光学系统波前处理器

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求,研制了千单元级自适应光学系统.设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合,输出规模最大可达1200单元的自适应光学系统波前处理器.采用大规模逻辑器件作核心处理芯片,用多线并行流水算法缩短波前处理延时,提高系统控制带宽.对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验.实验结果显示:系统最高采样帧频为2000 frame/s时,波前运算延时为20.96μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效.     

集成应变反馈层的横向压电驱动变形镜面形预测及闭环控制

作为校正光学像差的主要器件,横向压电驱动变形镜在自适应光学系统中应用十分广泛。哈特曼等波前传感器通过反射光得到镜面面形,然而并没有直接反映压电陶瓷的工作状态,并且这些波前探测器增加了系统的成本。以单层横向压电变形镜为对象,建立了压电陶瓷驱动器单电极的横向应变与镜面变形之间的映射关系。制备了集成应变层的单电极横向压电变形镜,进行静态面形预测实验。预测结果表明,添加应变反馈层能够预测单电极的影响函数,拟合误差在7.3%以内。模型的主要误差源是压电陶瓷的迟滞非线性,采用PID控制器对变形镜驱动陶瓷的应变输出进行了闭环控制,镜面位移迟滞率降低至1.74%。针对超连续谱光纤激光器像差进行了闭环校正分析,相比于开环和哈特曼的校正结果,校正精度提升至0.79,实现了横向压电变形镜无波前探测校正像差的一种新方式。     

导光均光微槽透镜阵列精密磨削及其热压微成型

薄壁LED照明依赖丝网印刷的微阵列导光板,但其表面油墨点阵易老化,且微结构很难优化。因此,在导光板表面设计出高斯分布的空间微槽透镜阵列,并采用数控微磨削技术对其进行加工,替代市面丝网印刷的2D微圆阵列。首先,用微光学原理模拟导光板导光效率和出光均匀度,优化微透镜阵列的形状、尺寸和分布。利用金刚石砂轮微尖端在PMMA导光板表面精密磨削出微透镜阵列,检测其导光效率及均匀性。最后,利用微磨削加工的微阵列成型钢模芯开发微透镜阵列的快速热压微成型工艺。微光学分析表明,微槽透镜阵列比微方形透镜阵列和微半球透镜阵列分别提高导光效率6%和15%。而且,微槽透镜阵列变间距高斯分布比等间距分布提高导光效率32%,提高出光均匀度73%。试验结果显示,微磨削可以控制微槽透镜阵列加工的表面质量和形状精度,应用于LED导光板后比丝网印刷的导光板提高导光效率7%和出光均匀度9%。此外,开发3 s的快速热压微成型工艺,可以加工出变间距和变深度的微槽透镜阵列,比丝网印刷的微圆阵列提高照度26%和出光均匀度49%。因此,微空间结构优化的微槽透镜阵列比丝网印刷的2D微圆阵列可附加出更高的微光学应用价值。     

Research and development of VUV optical coatings for micro mirror applications

1Introduction Duringthelastthreedecades,thedevelop mentofpowerfulUVlightsourcessuchasexci merlasers,frequencymultipliedsolidstatela sersorstoragefreeelectronlasershavegathered increasingresearcheffortsinthefieldsofUV photoninteractionwithmatteraswellasrising industrialapplicationssuchasintegratedcircuit manufacturing,microandnano materialpro cessingormedicine.Adominantdrivingforce downtotheshortestwavelengthsinthevacuum ultraviolet(VUV)spectralregionisthesemi conductormanufacturingwiththeopt…     

数字化微喷射用玻璃基组合微喷嘴设计及实验

为提高液滴微喷射的喷效率和粉体微喷射的喷射方向性,选用普通硼硅酸盐毛细管和石英玻璃管为原材料,基于稳定的拉制和锻制工艺,设计并制作了直列式组合微喷嘴和同轴式组合微喷嘴.在基于微流体数字化的微喷射实验平台上,利用4×2直列式组合微喷嘴单次喷射得到了形状规则、圆整,大小均匀,无卫星液滴的液滴阵列,液滴平均直径为180 μm;相对于单微喷嘴,直列式组合喷嘴提高了单次微喷射的效率.另外,进行了粉体微喷射实验,相对于单微喷嘴,同轴式组合微喷嘴在相同驱动条件下,出射角由33°减小至10°,成形粉线的宽度由450 μm降低至300 μm.结果表明,同轴式组合微喷嘴中的辅助喷嘴有效地约束了主喷嘴出射的粉体流动,粉体喷射的方向性有显著提高.     

一种改进型非交叉非对称 C-T 结构近红外 微型光谱仪设计

针对基于固定光栅和阵列探测器的常规微型近红外光谱仪成本高、光谱范围窄等问题,提出了一种基于集成扫描光栅微镜的双探测器微型近红外光谱仪。该系统采用自制的集成扫描光栅微镜作为核心分光部件,可同时实现扫描与分光功能,光学系统设计利用两个聚焦镜和两个InGaAs单管探测器的空间布局避免不同光路之间的相互干扰,可实现双通道同时、独立工作,此外双通道探测器前内置不同截止波长的带通滤色片消除光谱重叠。采用光线追迹法建立了理论模型计算光学系统的初始结构参数;利用ZEMAX完成了光学系统的优化设计并给出优化结构参数。测试结果表明,该仪器工作波长范围:800～2 532 nm,分辨率:小于12 nm(800～1 600 nm)、小于17 nm(1 600～2 532 nm),整体尺寸:145 mm×135 mm×75 mm,具有宽光谱、小体积、低成本等优势。     

用于儿童斜视矫正的微结构压贴三棱镜

针对儿童斜视辅助治疗的色散问题,提出了利用微棱镜阵列组消除压贴三棱镜中的色散现象的设计方案。通过压贴三棱镜平移光线,用微棱镜阵列组进行色散补偿,设计了一个新颖的组合光学系统。阐述了微棱镜阵列组色散补偿的基本原理,并利用几何光学软件仿真了组合光学系统的色散、透过率等光学参数。点列图以及扩散函数图等仿真结果表明,微棱镜阵列对于减少压贴三棱镜的色散有较明显的效果。     

采用过电铸工艺制造金属微细阵列网板

针对制作尺度10μm的超小微细阵列网板非常困难的问题,提出了采用过电铸工艺制造超小尺寸微细阵列网板的方法。建立了过电铸工艺过程的电场模型,利用有限元分析技术对过电铸工艺过程进行模拟仿真。选取优化的工艺参数(烘胶120℃/60min,曝光3000mJ/cm2,显影2min等)利用光刻制作了高度为50μm、直径为50μm的AZEXP125nXT-10A光刻胶群柱结构,以此胶膜结构作为模具进行了过电铸工艺实验,并与仿真结果进行对比,结果证明了有限元仿真的正确性。最后,通过过电铸缩孔2h获得了厚度达70μm,孔径为4μm的微细阵列网板结构。实验表明,过电铸工艺是一种低廉、安全、可批量生产的制作超小阵列网板的方法。     

多学科设计优化方法及其在微型飞行器设计中的应用

微型飞行器是复杂的微机电系统,研究涉及微机械设计,微结构力学,微动力学,微流体力学,微气体动力学,微热学,微摩擦学,电子控制等多个学科,阐述了多学科设计优化方法的基本思想,综合考虑了微型飞行器设计在推力,重量,控制,通讯导航等方面的限制要求,探讨了该方法在微型飞行器设计中的应用,并给出了初步应用范例。     

微结构模芯的精密磨削及其在微注塑成形中应用

针对微结构聚合物元器件的批量化生产与制造效率低等问题，采用精密修整成V形尖端的金刚石砂轮，在自润滑性和脱模性良好的钛硅碳陶瓷模芯表面加工制造出形状精度可控的V沟槽阵列结构，然后利用微注塑成形工艺将模芯表面的V沟槽阵列结构一次成形复制到聚合物表面，高效注塑成形制造出倒V形阵列结构的聚合物工件。分析了微模芯的表面加工质量与形状精度，研究了熔体温度、注射速度、保压压力、保压时间等微注塑成形工艺参数对微结构聚合物注塑成形角度偏差和填充率的影响。实验结果表明：通过微细磨削加工技术和微注塑成形工艺可以高效率、高精度地制造出规则整齐的微结构注塑工件，注射速度对微成形角度偏差的影响最大，保压压力对微成形填充率的影响最大，微结构模芯的微细磨削形状精度值为4.05 μm，微成形的最小角度偏差和最大填充率分别为1.47°和99.30%。     

Experimental and simulation study of undesirable short-period deformation in piezoelectric deformable x-ray mirrors

To construct adaptive x-ray focusing optics whose optical parameters can be varied while performing wavefront correction, ultraprecise piezoelectric deformable mirrors have been developed. We computationally and experimentally investigated undesirable short-period deformation caused by piezoelectric actuators adhered to the substrate during mirror deformation. Based on the results of finite element method analysis, shape measurements, and the observation of x-ray reflection images, a guideline is developed for designing deformable mirrors that do not have short-period deformation errors.     

微系统领域的关键技术

评述微系统的３维成形、空间运动机构制作和微作业技术。提出了微系统的定义,提出了它区别于宏系统、微电子系统的特点及这些特点对上述３个技术的影响。评述了ＬＩＧＡ、ＤＲＩＥ、ＥＤＭ、微浮雕、折叠法、ＲＰＭ６种３维成形法,并指出如何组合它们以适应激光学系统、微流体系统、微机构等商品化的配套需要。评述了微运动副的制造方法、带弹性变形件及柔性变形件的微机构设计原理和制造方法,并对它们的选择原则提出建议。评述了