One-dimensional Wolter optics with a sub-50 nm spatial resolution

We studied an imaging system consisting of an elliptical mirror and a hyperbolic mirror [i.e., one-dimensional (1D) Wolter optics] to realize an achromatic full-field hard x-ray microscopy with a resolution better than 50 nm. We report the performance of this 1D Wolter optical system when the mirrors were ultraprecisely figured by elastic emission machining. Experiments to form a demagnified image (demagnification factor of 385) of a 10 μm slit were conducted at an x-ray energy of 11.5 keV at BL29XUL of SPring-8. The system could form a demagnified image with a resolution better than 50 nm over a 12.1 μm field.     

离轴反射式平行光管设计及次镜检验方案研究

平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备。设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5 000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62 λ,边缘视场波像差设计值达到1/21 λ。对该平行光管次镜检验方案进行了研究,提出了一种简单可靠的凸双曲面次镜正面检验方案。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.     

激光等离子体诊断用Wolter型X射线显微镜的设计

围绕着稠密等离子体硬X射线成像诊断,提出了一种基于阿贝正弦条件的Wolter型X射线显微镜的光学系统设计。详细介绍了Wolter显微镜的结构特点和设计方法,进行了参数优化,定量分析了包括物距、放大倍数、掠入射角和双曲面镜镜长在内的初始结构参数对物镜性能的影响。由光线追迹可以得出,在约±260 μm的视场范围内分辨率优于1 μm;在±460 μm范围内优于3 μm。有效视场可达约1 mm,几何集光立体角约为6.1×10-5sr。同时,该系统具备平响应系统特性,在mm级的视场范围内,系统响应效率的一致性优于93.7%。     

五轴加工中心范成铣磨离轴非球面研究

离轴非球面作为非球面的一部分,是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件.针对空间光学对离轴非球面光学元件制造技术的重大需求,开展了离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究.分析了五轴联动范成法铣磨离轴非球面的原理,将离轴非球面所在的同轴母镜离散为一系列不同半径的球面环带,将工件坐标系建立在待加工离轴非球面...     

KBA X射线显微镜装调方法研究

 KBA X射线显微镜为非共轴、掠入射软X射线成像系统,集光立体角很小,像质又要求非常高,这使得四个反射镜的安装位置要求相当严格。通常的位置或角度计量工具,在激光聚变靶室内空间受限的条件下,很难达到这么高的精度。因此为了保证KBA的成像质量,采用精度4″的测角仪使双反射镜的夹角误差小于20″。掠入射角对成像质量影响很大,为了使掠入射角小于10″,用自己设计的光路系统保证了掠入射角的精度要求。KBA X射线显微镜系统的主镜的孔径角4×10^－6 sr,无法实现锐聚焦。因此设计了一个辅助物镜代替它的主镜以实现锐聚焦。在某大型激光装置上进行的惯性约束聚变诊断实验中,运用这些方法所装调的KBA X射线显微镜获得了靶标(周期20 μm,线宽6 μm的无金膜镍网格)的清晰图像。     

利用计算机辅助装调检测矩形大口径离轴非球面的方法研究

通过非球面的零位补偿法,完成了对矩形大口径离轴非球面镜的检测。先用光学设计软件Zemax从理论上分析了在检测中会出现的现象,并结合计算机辅助装调技术,确定在检测过程中相对敏感的自由度,然后控制这些量,使补偿器和非球面的相对关系与理论设计相吻合,在Zygo相位干涉仪上测得最终结果。在λ=632.8nm时,中心圆口径与两个边缘圆口径面形误差RMS分别为0.022λ,0.037λ,0.032λ。检测结果,达到预期目的。     

超短脉冲激光瞄准装置光学系统设计

为了提高超短脉冲激光的瞄准精度,基于自准直原理提出瞄准装置光学系统。以670 nm光纤耦合激光器为光源,设计指示光准直、扩束光学系统,准直光的不平行度达到3.2,设计焦距为350 mm,相对孔径1/5,离轴量50 mm的主激光离轴抛物面镜,其成像质量达到衍射极限,基于准直束光学系统和离轴抛物面镜,设计可适应670 nm和800 nm两种波长的20和100的瞄准和监测成像光学系统。提出一种小孔准直的安装调试方法,以指示光进行实验验证,结果表明:设计的光学系统成像光斑均匀,其物方分辨率达到4.1 m。     

离轴三反红外双波段景象模拟器光学系统设计

 针对红外双波段成像系统性能测试与评估的应用需求,设计了3 μm～5 μm和8 μm～12 μm红外双波段视景仿真用离轴三反光学系统。在共轴三反光学系统成像理论基础上,分析了孔径光栏远离主镜的离轴三反系统像差特性,研究了大出瞳距、大相对孔径条件下离轴三反光学系统的结构设计和像差平衡方法。系统焦距为330 mm,F#为3,视场为6°×4.5°,出瞳距为750 mm,在空间频率10 lp/mm 处,中波红外MTF>0.65,长波红外MTF>0.4,接近衍射极限。具有大视场、大出瞳距、高分辨率、结构紧凑等特点。     

同质材料反射系统热特性研究

为从原理上阐述同质材料反射系统的温度特性，并为光学系统设计提供依据。以热变形特征及其计算方法为基础，以光学系统焦点为研究对象，依次介绍单反射镜、共轴多反、离轴反射系统的温度特性，并建立了相应热差模型。仿真结果表明，离轴三反系统后焦距随温度的变化情况与对应镜筒的热变形量完全一致，其在较大温差范围内具有良好的成像质量。由温度变化引起的热离焦可被镜筒补偿，验证了理论模型的正确性，得出在均匀温度场条件下同质材料反射系统无热差的结论。因此，当光学系统尤其是热差效应明显的红外系统采用同质材料反射系统时具有良好的温度适应性。     

Compression of long-cavity Ti:sapphire oscillator pulses with large-mode-area photonic crystal fibers

Motivated by the pulse compression challenge of novel long-cavity, high-pulse-energy Ti:sapphire laser oscillators, we report on ~280 nm supercontinuum generation and 4.5-times compression of close to transform limited, high-energy oscillator pulses using different large-mode-area photonic crystal fibers and standard chirped mirrors. As input, we used pulses of a long-cavity Ti:sapphire oscillator with 190 nJ pulse energy, 70 fs pulse length and 3.6 MHz repetition rate. Compressed pulses at the fiber/compressor output had a duration of 15–18 fs with up to 100 nJ pulse energy representing as much as 53 % throughput for the fiber/chirped mirror system. Using transform-limited input pulses, we could use short fiber pieces and thus a simple, low-dispersion chirped mirror compressor comprised of one pair of mirrors.     

主动光学薄镜支撑及驱动研究

随着光学遥感器分辨能力的不断提高和口径的不断增大,导致遥感器的重量越来越重,使得载体无法承受.针对此问题,提出了对薄反射镜进行主动支撑的方式,以解决口径大、重量重的问题.利用有限元分析和数学理论相结合的方法在对反射镜施加垂直镜面1g加速度(g=9.80665m/s2为重力加速度)和10℃的温升载荷情况下,对薄反射镜的位...     

Silicon nitride transmission X‐ray mirrors

Transmission X‐ray mirrors have been fabricated from 300–400 nm‐thick low‐stress silicon nitride windows of size 0.6 mm × 85 mm. The windows act as a high‐pass energy filter at grazing incidence in an X‐ray beam for the beam transmitted through the window. The energy cut‐off can be selected by adjusting the incidence angle of the transmission mirror, because the energy cut‐off is a function of the angle of the window with respect to the beam. With the transmission mirror at the target angle of 0.22°, a 0.3 mm × 0.3 mm X‐ray beam was allowed to pass through the mirror with a cut‐off energy of 10 keV at the Cornell High Energy Synchrotron Source. The energy cut‐off can be adjusted from 8 to 12 keV at an angle of 0.26° to 0.18°, respectively. The observed mirror transmittance was above 80% for a 300 nm‐thick film.     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.     

高能拍瓦激光系统中大口径离轴抛物面聚焦特性研究

为进行快点火实验,需对高能拍瓦激光聚焦系统中的核心元件即大口径离轴抛物面,进行深入量化研究,以便对其结构选型和精密调整提供准确的理论依据。利用基于严格的矢量衍射理论的数值计算方法,并结合像差分析得到了大孔径、大离轴量的抛物面镜(OAP)的物理光学成像特性。首先用理想平行光入射,得出OAP的三维平动公差与其焦深密切相关,OAP绕旋转对称轴的转动可归结为平动问题,其公差与焦深也有简单关系;入射光轴失准时,像散占主导作用,并可由一结构因子来定性描述其对像斑的影响。其次当入射光有一定的发散角时,除引起最佳像面位置变化外,还会由于OAP不对称性而引起的彗差使得像斑的峰值光强大大降低,并论述了OAP的结构参数对此的影响。     

具有实入瞳的远心离轴三反系统研究与设计

采用远心离轴三反成像系统的空间遥感仪器前有光束限制装置时,要求系统具有实入瞳与之匹配。为了满足这一需要,研究了孔径光阑位于主镜前与系统物方焦平面重合的离轴三反系统的设计问题,推导了主镜和三镜共面时离轴三反系统结构参数计算式及物方焦点与主镜间隔表达式,确定了实现系统物方焦点为实焦点的条件及其解法。据此,针对光谱范围为1.0～2.5μm、F数为4、有效焦距为360mm、视场为5°的设计要求,设计出整个波段全视场像质接近衍射极限的具有实入瞳的远心离轴三反系统,系统非球面最高次数为4次。设计结果表明,这种设计方法可用于实入瞳远心离轴三反成像系统的设计。     

矩形离轴非球面反射镜双摆法加工与检测

介绍了一种轻质矩形离轴非球面反射镜的加工与检测方法.针对矩形离轴非球面镜这种直角效应的加工难点,提出双摆式加工工艺,并设计改造双摆式加工机床使该方法得以实现.采用该方法加工完成某多光谱仪光学系统中4块矩形离轴非球面反射镜(其中最大尺寸为266 mm×110 mm),最终加工得到的面形精度均优于0.020λ(RMS, @633 mm)的设计指标要求.加工结果表明,用该加工技术既提高了光学加工效率又利于得到较为平滑的面形质量.     

激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200~800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.     

非共轴掠入射KB与KBA X射线显微镜的成像特性分析

由于X射线在介质中被强烈地吸收,加之介质的折射率在X射线波段略小于1,这些因素给X射线成像增加了很多难度,常规的成像方法难以适应X射线波段,目前多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法。详细分析掠入射情况下单镜及双反射镜的成像特性,对组成KBA显微镜的反射镜在掠入射条件下的焦距、视场倾斜、光阑位置等进行研究。研究结果表明：对于双反射镜结构,掠入射角为双反射镜夹角1/2时视场倾斜最少,光阑放在第2个镜子上成像质量优于放在第1个镜子上。最后分析KBA显微镜结构安排的合理性,从而为KBA显微镜设计和加工提供理论依据。