激光器光学系统光机热集成分析方法

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式,并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算,获取激光辐照下光学元件表面的结构变形;其次,对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理;最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件,分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明:利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响,为光学系统设计提供参考。     

基于热光学技术的空间光学系统热设计

为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zemike多项式进行了波面拟合。最后,用CodeV光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50lp时,传递函数均超过0．5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行。     

离轴抛物面反射镜模拟空间环境镜面变形分析

在卫星红外多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标试验中,环境模拟器舱内的稳、瞬态温度场会给光学系统成像质量带来影响.以试验中的实测温度变化作为温度载荷,借助有限元软件,分析了定标系统中通光孔径为φ400mm的离轴抛物面主镜的温度场分布和热弹性变形.选用在单位圆内正交的Zernike多项式为拟合基函数,通过坐标变换,将抛物镜表...     

热环境下红外镜头面形变化对成像质量的影响

由于红外镜片材料的温度特性,环境温度的变化会对红外镜头的成像质量造成影响。为了研究不同温度场下镜片的应力状态以及镜面面形变化情况,利用光机热集成分析方法,运用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对设计的红外镜头进行了热结构耦合分析,从分析结果中得到了镜片等效压应力的大小。利用Zernike多项式拟合了变形后的镜面面形,将得到的Zernike系数导入到ZEMAX中建立了多重温度结构,分析了不同温度下镜面变形前与变形后的光学系统离焦量的变化量。结果表明,镜片在低温-40℃时受到较大的等效压应力,最大等效应力81.118MPa,小于材料的断裂强度345MPa;不同温度下由于镜片面形发生变化,导致红外光学系统成像质量以及离焦量发生改变。     

高空高速航空相机光学窗口的热光学分析

分析航空相机光学窗口的热光学特性,选定熔石英作为窗口玻璃的材料,将热流密度加权分配到窗口外表面各个区域,并考虑整个窗口玻璃的辐射来计算其在一个工作循环内的温度分布。高空高速飞行时,气动热使窗口外表面的温度急剧上升,由于熔石英的导热率很小,窗口产生很大的轴向温差,分别取轴向温差55℃,70℃和90℃时的工况计算窗口热变形;光学窗口内、外表面的变形规律为近似球面,计算了其近似曲率半径,计算由面形变化和折射率变化引起的光程差并转化为Zernike多项式;将Zernike多项式系数带入Code V中考核窗口玻璃的光学性能,得到波像差变化量,其像面离焦量为-0.114mm,调制传递函数的下降最大值小于0.01。结果表明,光学窗口满足光学性能的要求。     

大相对孔径连续变焦前置物镜的光学设计

根据所研制超光谱成像仪的性能指标和应用要求,设计可用作超光谱成像仪前置系统的连续变焦光学系统,具有相对孔径大、工作于可见光波段、中等焦长、光能利用率高和像方远心等特点。详细介绍变焦距光学系统的结构选型及其初始结构计算方法。设计的变焦距光学系统采用机械补偿法,变倍比为4×,相对孔径为1∶2,在宽视场(8°)和窄视场(2°)端的焦距分别为55mm和220mm。系统畸变小于0.6%,在66lp/mm空间特征频率处的调制传递函数值大于0.5,能够满足超光谱成像仪的使用要求。     

宽视场大相对孔径高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的应用需求。根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为40°、相对孔径为1/1.8、工作波段为0.35~1.05μm的航空遥感高光谱成像仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理,运用光学设计软件Zemax对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,设计的光学系统在各个波长的光学传递函数均不小于0.82,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的5%。这便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且系统体积小、重量轻,适合于航空遥感应用。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一，采用热光学特性分析方法，对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析，通过有限元法分析相机光学系统结构热变形，并去除镜面表面刚体位移，将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合，将拟合结果导入光学设计软件中，对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真，预测环境温度对光学系统成像质量的影响，对光学系统设计具有指导意义。     

空间遥感器中窗口的热光学特性研究

光学窗口是空间光学遥感器应用系统中的重要组成部分 ,其热光学特性是其热控设计的指南。拟定某种温度边界条件后利用有限元法计算其稳态温度场分布 ,再将温度载荷和其它有关广义力载荷作为载荷 ,计算光学玻璃的变形。将变形值拟合为 Zemike多项式 ,输入到光学设计程序 Zmax TM中 ,计算出光学玻璃的变形所引入的波差。最终根据光学遥感器许用的系统波像差来给定光学玻璃的许用温度梯度     

1 m太阳望远镜光电导行镜无热化分析

作为1 m太阳望远镜（NVST）导行系统的重要组成部分,导行镜的成像稳定性至关重要。环境温度载荷造成的镜体变形会造成热离焦从而影响导行镜的成像质量。采用有限元方法分析NVST导行镜在-5 ℃、20 ℃和35 ℃等不同环境温度状态下的温度分布,并计算了温度变化产生的轴向结构变形,即最大离焦量为6.45 m。计算结果表明:主镜到靶面的距离变化最大值常温下为7.14 m远小于系统焦深（35 m）, 达到了对NVST导行镜无热化结构设计的目的。     

Wolter-I型聚焦镜热变形数值研究

为了给聚焦镜热控及支撑结构优化设计提供依据,对爱因斯坦探针项目中的后随X射线望远镜的镜片组进行了三维全尺寸建模与有限元分析.研究了轴向、径向两种温度梯度,以及有、无支撑结构对镜片组形变的影响,并对面形误差与温差范围的关系进行了探究.结果表明:对于无支撑结构,轴向温度梯度下面形误差与半径关系接近线性关系,径向温度梯度下则接近分段二次关系;支撑结构发生热变形时,会使镜片组产生与之对应的面形误差,令同相圆度误差转变为异相圆度误差,并使镜片组整体面型误差峰谷值增加32.25%~123.01%,均方根值增加4.13%~5.14%;对于有支撑结构,热致面形误差与温差成正比,温差每增加1℃,轴向温度梯度下,面形误差峰谷值与均方根值分别增加7.76μm、1.12μm,而对于径向温度梯度则分别增加9.67μm、1.60μm.聚焦镜片热致面形误差在一定情况下与镜片尺寸、温差成线性关系,并受到支撑结构变形的显著影响.     

Spatially-uniform temporal recompression of intense femtosecond optical pulses

A specially designed telescope with defocusing lens and off-axis parabolic mirror, which is working as a nonlinear element and producing self-phase modulation, was implemented for intense (3.1?TW/cm²) Fourier Transform Limit femtosecond laser pulses with Gaussian beam profiles. The pulse spectrum was broadened quasi- homogeneously over the beam cross-section due to the change in the lens thickness compensating for the reduction of the beam intensity from its center to periphery. In experimental demonstrations a set of chirped mirrors allowed for the spectral phase correction to a final pulse compression of 20?fs from 40?fs.     

Compensating focusing for space hyper spectral imager’s fore optical system

The performance of space hyper spectral imager is severely affected by turbulent orbit temperature. Tur-bulence results in a defocus in the fore optical system of the imager. To address this problem, a focusing system is added. A number of simulation methods are applied on the fore optical system to study the relationship between temperature and focusing. In addition, this process is conducted to obtain a practical reference for focusing while the imager is flying on orbit. The obtained correlation between focusing and temperature is proven effective based on ground imaging and simulation testing.     

超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性

为了确定超光谱成像仪热控指标和开展热设计,研究了超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性。介绍了超光谱成像仪的工作原理以及热光谱特性的含义,分析了棱镜的环境热效应,论述了棱镜热光谱特性研究内容及技术路线,推导了温度变化时棱镜偏转角以及角色散的函数关系,进一步得到光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律。借助有限元分析,比较了K9、熔石英两种材料的棱镜的入射角、顶角、材料色散、光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律,确定了棱镜的热控指标,并设计了热光谱试验。理论分析和试验结果表明由于热变形引起的光谱带宽和光谱分辨率改变可以忽略不计,光谱平移主要由材料折射率温度系数决定;棱镜材料色散(dn/dλ)对温度变化不敏感,因此温度变化对其光谱带宽影响不明显; 本文研究方法合理,结果可信,对确定棱镜的热控指标和优化热设计具有指导意义。     

运用功能梯度结构降低大功率激光系统中镜面热变形的数值分析

 提出一种运用功能梯度结构以有效降低大功率激光系统中镜子温度和镜面热变形以及减缓热应力的新方法。讨论了环形分布和高斯分布2种类型的激光源。有限元分析结果表明，通过这种方法可使硅镜和铜镜的表面热变形成倍降低，并且还能同时显著降低镜体温度。讨论了代表热学和力学性质的函数表达式的斜率对镜面热变形的影响，研究表明：功能梯度结构的热物理对镜面形变产生重大影响，而力学性质对镜面形变的影响非常小。该结论可为具有该功能梯度结构的镜子优化设计和制造提供参考。     

A functionally graded structural design of mirrors for reducing their thermal deformations in high-power laser systems by finite element method

In this paper, a new method is proposed to effectively lower the high temperature, smooth the thermal stress and reduce the thermal deformation of mirrors in high-power laser systems utilizing functionally graded materials (FGMs). Two kinds of laser source are discussed at the same time. One is the doughnut-shaped laser, and the other is the Gaussian-distributed laser. Numerical results from finite element analysis show that the thermal deformation of silicon and copper mirrors can be reduced by one order of magnitude, and the temperature rise is also lowered obviously by this means. The effects of slope regulation of the functions for representation of thermophysical and mechanical properties on thermal deformation of mirrors are discussed to meet the requirement of optimum design and manufacture of FGM mirrors for the future.     

Influence of low temperature on the surface deformation of deformable mirrors

The two factors which influence the low temperature performance of deformable mirrors(DMs) are the piezoelectric stroke of the actuators and the thermally induced surface deformation of the DM. A new theory was proposed to explain the thermally induced surface deformation of the DM: because the thermal strain between the actuators and the base leads to an additional moment according to the theory of plates, the base will be bent and the bowing base will result in an obvious surface deformation of the facesheet. The finite element method(FEM) was used to prove the theory. The results showed that the thermally induced surface deformation is mainly caused by the base deformation which is induced by the coefficient of thermal expansion(CTE) mismatching; when the facesheet has similar CTE with the actuators, the surface deformation of the DM would be smoother. Then an optimized DM design was adopted to reduce the surface deformation of the DMs at low temperature. The low temperature tests of two 61-element discrete PZT actuator sample deformable mirrors and the corresponding optimized DMs were conducted to verify the simulated results. The results showed that the optimized DMs perform well.     

高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响

利用有限元分析法结合Fox-Li迭代法,考虑腔内本征模式与腔镜热形变的相互耦合作用,计算模拟了正支共焦非稳腔的本征模式分布,定量分析了高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响,重点讨论了腔镜热变形所引起的腔内本征模式相位特性的变化,并从波前功率谱密度、Zernike像差系数及光束质量值等角度对腔镜发生热形变前后的激光器输出光束的光束特性进行比较分析。研究结果表明:高功率激光器腔镜热形变对输出光束的光束质量会产生一定的影响,且随着激光输出功率的增大,镜面热形变引起的输出光束波前相位高频比例及Zernike高阶像差均会有所增大,波前畸变程度也明显变大,光束质量逐渐变差。     

自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点,适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构,由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上,电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置,改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距,进而改变系统的焦距,实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于：激光聚焦光路与信号光采集光路相同,便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路,适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜,结构紧凑,元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m,聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验,确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系,得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明,该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量,并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。