光刻物镜中光学元件精密轴向调整机构的设计与分析

柔性铰链与高准确度驱动器的结合是实现光学元件轴向精密调节的重要方法.本文介绍了一种采用柔性铰链的轴向精密调节机构,推导并得出了其实现精密调节的原理.通过对应用柔性调节机构的一种典型光机系统的刚度分析,得到在不超过柔性铰链材料屈服应力情况下,光学元件的最大轴向位移可以达到200μm以上;同时,对一种典型参量的柔性结构做了模态分析,得到其一阶固有频率为185.1Hz,证明了调节机构的固有频率满足工作要求.分析了驱动力在此种轴向调整机构中对镜片面形的影响,结果表明:调整机构在接近最大允许驱动力作用下对镜片面形影响为4.41nm,说明其对光学元件的面形影响较小.该研究结果为柔性光学元件轴向调节机构的应用提供了有力依据.     

微型光谱仪结构参量的可调节冗余量研究

为了探究Czerny-Turner(CT)光路结构在装配过程中各个光学元件偏离理论光学设计参量时对光谱仪光学性能的影响,建立数学物理模型还原Zemax设计的非对称CT结构光路,在不影响光谱仪分辨率的条件下,调节CT结构中的各元件,得到各元件的可调节冗余量.结果表明,准直镜和衍射光栅偏转角度可调节范围分别为±0.19°和±0.17°;聚光镜和CCD的位置可调节范围都为±0.12mm.以上四个变量的可调节冗余量最小,对光谱仪最终分辨率影响较大.该研究对CT结构中各光学元件机械调节机构的设计具有参考意义.     

光学反射镜柔性锥套连接结构的设计与分析

针对空间光学遥感器反射镜结构刚度高、热尺寸稳定性差的状况,设计了一种柔性锥套结构,它在保持结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。对某光学反射镜组件中的柔性锥套进行了合理的结构设计,并对柔性铰链参数进行了分析,采用有限元法对反射镜组件的非柔性锥套连接结构和柔性锥套连接结构在自重和热两种工况下的反射镜面形精度进行了仿真分析。分析结果表明:由柔性锥套连接的反射镜在自重工况下面形PV值较非柔性锥套连接形式变化不大,而热变形明显好于非锥套连接的面形精度,PV值由43.9nm降到了27.5nm,对热的贡献较大;连接在整机工况下的反射镜组件的反射镜面形精度可满足遥感器的成像质量要求,保证了结构的热尺寸稳定性。因此这种柔性锥套连接结构在实际遥感器结构中是合理可行的。     

二极管激光器垂直阵列光束精密准直

 为实现二极管激光器垂直阵列输出光束具有小发散角、高指向精度的特点,简述了快轴准直（FAC）微透镜的光束准直原理,分析了调节装置的精度要求及透镜选择等问题。通过光学成像方法实时监测二极管激光bar条的近场像和远场像,对FAC透镜分别进行粗调节和细调节,获得了20个bar条连续输出2 kW,垂直阵列二极管激光快轴准直光束远场发散角4.4 mrad,bar条间准直光束指向精度不大于±1.7 mrad的准直效果,并对监测精度进行了简要分析。对影响光束准直效果的因素进行了分析,指出了工艺优化的重点。     

基于COMSOL的多层组织声光作用机制

采用COMSOL Multiphysics软件对不同结构组织中的声光作用过程进行仿真，讨论轴向和径向的光分布特点以及单层和多层组织光学参数对声光信号的影响。仿真结果表明：入射光束的大小对轴向和径向光的衰减速度以及轴向能流率峰值出现位置均产生影响；声光信号的峰峰值、平均值以及调制深度均随单层组织光学特性的改变而规律性变化；对于多层结构，声光信号的调制深度仅取决于靶组织的光学特性，与非靶组织的光学特性无关。     

莫尔条纹技术的三维测角方法研究

针对传统莫尔条纹技术在测量物体偏转角度中不能对多维角度变化进行测量的问题,采用了一种分区间设计的组合光栅方法,并结合光学自准直成像方法构建了一种新的实验系统装置,利用该系统通过测量莫尔条纹的变化实现了对被测量物体偏转角度的三维测量,对合作光学反射镜的偏转角度测量精度优于1”,绕轴转动测量精度优于2”。     

大口径非球面元件可控气囊抛光系统

根据大口径非球面光学元件的实际加工需要,设计并制造可控气囊抛光系统,并对机构进行运动学仿真,仿真结果表明,气囊自转轴的运动空间可以满足大口径非球面光学元件的连续进动加工要求。为了证明所设计系统的可加工性,以直径320 mm的圆形平面光学元件进行加工实验。经过该气囊抛光工具24 h的抛光后,工件达到较好的面型精度,光学元件的表面粗糙度由0.272减小到0.068(＝632.8 nm), PV值从1.671降低到0.905。对光学元件的实际加工实验结果表明:可控气囊抛光系统在加工过程中结构稳定性好,符合设计要求,可有效提高加工工件面型精度。     

一种精级回转驱动机构的研究

两轴四框结构光电吊舱,内框多采用力矩电机直驱,稳定精度仅为数10 μrad。为达到更高精度的μrad量级,提出一种压电陶瓷驱动柔性支承的精级回转驱动机构,作为光电吊舱的内框驱动。介绍了精级回转驱动机构的构型方案,并对压电陶瓷的驱动能力进行了探讨,对柔性支承的回转刚度、固有频率、几何参数进行了详细设计。建立了机电仿真模型,制造了原理样机并进行了性能测试,其主要性能指标为:行程509.1 μrad,分辨率优于0.5 μrad,1 Hz、100 μrad的正弦信号跟踪误差小于3 μrad,固有频率约1 kHz,均满足设计目标。     

长条镜柔性支撑及点阵结构设计方法

离轴三反光学系统多采用长条形反射镜,为尽可能提高反射镜面形精度,其支撑结构形式多为柔性支撑;为了在保证结构力学性能的基础上满足轻量化的需求,支撑亦多采用壳体点阵结构。本文基于尺寸优化技术,建立了长条形反射镜的参数化有限元模型以及双轴圆弧切口柔性铰链支撑的多参数优化模型,分别应用可行方向法及自适应响应面优化算法得到了质量约束下刚度最优的反射镜面板、筋板厚度参数以及刚度约束下镜面面形最优的柔铰支撑几何尺寸参数,并应用参数试验方法对该柔性支撑安装角度及安装轴向位置进行了独立变量的影响分析。对于背板的设计,本文提出了一种基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法,采用贪婪三角化投影算法对点阵结构包络生成的点云进行网格重构,保证了点阵结构模型的连续性与真实性。经过仿真验证,优化参数下重力、温度、强迫位移各工况下反射镜综合面形误差（0.018λ）和装调方向重力下刚体位移（0.007 mm）均达到最优。表明基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法合理可行,可推广应用于类似结构形式的反射镜支撑。     

轨迹成型法加工球面光学零件面形精度分析

分析了轨迹成型法加工球面时影响零面形精度的多种因素，其中包括：工件回转轴与摆动轴不共面误差，工件回转轴与砂轮轴不共面误差，工件回转轴径向跳动、摆动误差，轴向窜动工件摆动轴的径向跳动以及砂轮的振动等因素对工件面形精度的影响。为了提高工件面形精度，首先应提高各回转轴和移动件的制造精度和减少配合误差，使其静刚度和动刚度提高，这是保证面形精度的最重要和基本的条件。     

高功率激光终端KDP晶体非共线高效三倍频及远场色分离方案数值模拟分析

为满足高功率激光装置对终端光学系统的改进要求,控制3ω光路透射元件厚度以降低激光损伤风险,避免3ω非对称聚焦与色分离元件对靶场调靶产生不利影响,本文利用非共线相位匹配原理讨论了KDP晶体Ⅰ类和Ⅱ类两种和频产生351 nm(3ω)激光及其远场色分离过程.模拟结果表明,室温20?C环境中除目前常用的共线和频外,1053 nm(ω)与526.5 nm(2ω)激光可选择Ⅰ类或Ⅱ类两种非共线和频方式实现高效3ω激光输出并在激光远场实现色分离,且具有足够的高效转换失谐角容宽.计算表明,与Ⅰ类和频类似,Ⅱ类和频也存在一个非临界相位匹配过程,其匹配方向约为θ(3ω)=86.53?.可通过增加晶体厚度克服其有效非线性系数较低的缺点,实现3ω高效输出,失谐角容宽可达±20 mrad.为满足靶场需要,解决非共线角容宽苛刻带来的调节不便,并进一步使光路紧凑,将楔角为12?的熔石英楔板置于倍频晶体之后,ω与2ω激光在熔石英楔板后表面可产生约3.5 mrad分离角.经非共线和频,使用薄透镜即可实现聚焦及色分离.该方案完全满足终端光学系统的改进要求,可作为可靠的备选方案之一.     

基于空间光调制器的光束大角度扫描技术研究

为实现一束激光在90°锥形范围内的扫描，利用液晶空间光调制器在光束偏转控制时精度高、无机械惯性等优点，研究并建立了基于液晶空间光调制器的光束偏转和角放大光路系统。提出了空间光调制器的可编程相位调制算法和角放大光路结构，推导了空间光调制器光束偏转角度与相位灰度驱动图的关系，设计了角度放大倍率高于22倍的角放大光路系统。在此基础上，建立了光束扫描控制实验系统，对该装置角度出射范围进行了测量，将实际的角放大倍率与设计值进行对比。实验结果表明:研制系统的出射视场角可达91.22°，并可通过畸变校正实现出射视场角范围内的规则形状扫描。该研究在光束敏捷控制、无线激光通信、目标搜索与追踪等领域具有重要的研究价值和应用前景。     

多视场电视观瞄具的光轴调校技术

针对如何实现多视场电视观瞄具光轴平行性和稳定性的调校,根据其光机系统结构,提出了CCD靶面与双光楔相结合的调校技术方案,通过设计和搭建安装基面与光轴平行的装调装置,用平行光管自准直法建立了统一的装调基准。通过分析双光楔调校原理,对调校技术方案进行优化,添加了双光楔配对和粗调误差控制的工艺要求。经过装调、测试验证,光轴平行性可达0.1 mrad,光轴稳定性可达0.05 mrad。     

有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导. 关键词： 光镊 光学设计 矩阵 误差     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

三维角度调节靶架的定位精度分析

针对大功率激光装置中送靶机构特性,设计了一种新型三维角度调节靶架,该靶架由一个正切机构实现回转角度调整,由一套正交分布的正切机构实现二维角度偏摆调整。从靶架机构中的原理误差、结构误差和牵连误差出发,对角度调节靶架机构的结构参数进行了分析。结果显示:靶架机构误差受直线驱动器位移、驱动器球头半径、正切机构作用半径、驱动器安装孔角度误差、驱动器圆柱面对中误差、两个正切机构正交误差、靶杆和回转轴线倾斜角度影响。靶杆和回转轴安装倾斜误差影响较大,球接触误差次之,通过精密装调及控制系统补偿后此三维角度调节靶架精度可达0.1 mrad。     

Effect of interactive damping on vibration sensitivities of a scanning near-field optical microscope probe

The effect of interactive damping on the sensitivity of flexural and axial vibration modes of scanning near-field optical microscope (SNOM) with a tapered optical fiber probe has been analyzed. The interaction of the SNOM probe with a sample surface is modeled by a combination of a spring and a dashpot in the flexural direction and a similar combination in the axial direction. An approximate form for the sensitivities of both modes was derived by using the Rayleigh–Ritz method. The results show that the interactive damping will decrease the sensitivities of both flexural and axial vibration modes when the contact stiffness is low. The more the damping effect, the lower the sensitivities are. In addition, when the contact stiffness was low, the flexural sensitivity of the tapered probe slightly increased as the tapered angle decreased. However, the axial sensitivity apparently decreased as the tapered angle decreased. When the contact stiffness became higher, the sensitivities of both flexural and axial vibration modes increased as the tapered angle increased. PACS 68.35.Ja; 07.79.Fc; 61.16.Ch     

HIAF电子冷却装置高精度线圈磁轴测量

强流重离子加速器装置（HIAF）将采用电子冷却技术,降低重离子束流的发射度和动量分散,提高核物理及原子物理实验的精度与亮度。电子冷却装置的冷却段磁场均匀度是影响冷却效率的主要参数,HIAF电子冷却装置采用多个独立高精度线圈串联产生纵向磁场的设计,获得极高的冷却段磁场均匀度。本文介绍了一种测量高精度线圈磁轴偏角的装置,采用定位装置测量线圈的几何对称轴,通过旋转霍尔探头测量线圈中心平面上的径向与轴向磁场分布,再根据磁场测量数据计算出线圈磁轴与几何对称轴之间的偏角。实际测量表明该装置的磁轴偏角测量精度达到±0.10 mrad。测量得到的HIAF电子冷却装置冷却段线圈样品的磁轴偏角为（1.28±0.10）mrad,达到设计要求。     

潜望式观瞄系统的瞄准轴系误差分析与调校

瞄准轴系影响到潜望式观瞄系统的测角精度。根据潜望式观瞄系统的典型光机结构,分析引起瞄准轴系误差的来源,采用矢量反射和旋转原理建立数学模型,给出方位轴、俯仰轴、瞄准轴和反射面误差对瞄准轴系的影响关系。同时,确定了与之相应的调校技术方案,明确了调校过程中的每一项控制要点,给出了联调与检测方法。通过实际产品调试验证,瞄准轴系精度可达0.1 mrad。