高功率准分子激光主振荡功率放大系统光学元件的稳定性

为了分析高功率准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统中各光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响,建立了分析模型,利用分析结果指导高稳定性镜架设计以满足系统实验需求。根据高功率准分子激光MOPA系统特点,有效地简化了系统光路,建立了系统光路模型;按照系统打靶精度要求,利用三维坐标变换和光线追迹法,计算得到了系统单个光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响规律;最后,对自行设计的镜架进行了稳定性测量。计算结果表明,反射镜的旋转变化和透镜垂直光轴的平移变化是影响靶面光斑定位精度的主要因素,且主放大光路中反射镜在X方向和Y方向上最大的变化范围分别不能超过0.8和1.6μrad。实际测量结果表明,设计的镜架在X方向和Y方向最大的变化范围分别为0.6和0.81μrad,满足系统实验要求。     

高功率准分子激光系统光束指向稳定性模拟

 根据高功率准分子激光主振荡器功率放大系统像传递结构特点,利用LABVIEW与MATLAB相结合设计了靶面光斑重心的稳定性模拟仿真及分析软件。对光学元件稳定性测量结果和光学元件误差分配结果进行模拟仿真和验证,经过多次再分配实现了系统误差分配的最优化。数据表明,现有实验室条件下,靶面光斑重心稳定性尚不能满足要求;在保持低稳定性指标要求光学元件一定裕量前提下,高稳定性要求光学元件的最优化分配指标为1.7 μrad;实验室现有光学元件在工作条件下能够满足该优化分配指标,在一定程度上减小了对光学元件的结构要求。     

基于光斑形状光束快速自动准直算法

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求,提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法,并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时,利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法,求出椭圆光斑长短轴的轴长,通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状,直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值,将差值转为闭环控制的步进电机调整步数,实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中,结果表明,远场指向精度优于0.033″,优于目前高功率激光准直系统准直效果,提高了激光光束的指向性精度.     

全息照相实验的改进

组成全息照相的光路，一般都是用分束镜、反射镜和扩束镜等光学元件．这些光学元件易受损伤，且价格也较昂贵，因而普遍开设实验扩大实验内容就受到一定限制．我们提出用光纤构成的全息照相系统见图1．该系统是用一根Y形光纤取代所有的光学元件组成的．激光由Y形光纤一端直接耦     

高功率激光光束的自准直算法

为满足高功率激光装置全程光路自动准直快速性及高精度的要求,提出了一种光斑对应椭圆的长短轴差值法对光斑形状调节,并结合重心法快速、高精度的获取光斑图像中心位置.利用大律法、3×3邻域法及8向链码法对光斑图像进行处理,得到面积最大的光斑;分析最大光斑区域中心距,求出最大光斑对应椭圆的长短轴长,并根据长短轴差值调节光斑形状,至长短轴差值近似为零,获得形状最规则的光斑;分析形状最规则光斑的中心位置与其基准位置在x和y方向的偏差,并将该差值转为闭环控制的步进电机所需要调整的步数,实现激光光束的自准直.该算法应用在高功率激光装置中,结果表明,主放大光路的准直时间缩短为15min,近场准直的准确度优于0.2%,远场指向准确度优于1μrad,满足高功率激光光束的准直要求.     

高能激光系统内光路热效应建模与仿真

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素,介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型,分析了影响热效应的主要因素,并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件,重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律,指出吸收率主要影响热像差的大小,而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体,指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素,细致研究了热像差随时间的变化规律,介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块,搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型,通过光-热-力-控多物理耦合仿真,研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应,给出了激光传输远场光斑特征,表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。     

光束指向稳定性高精度检测方法研究北大核心CSCD

光束指向稳定性是高能激光应用研究中的一项关键指标,光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的重要环节。以长焦距聚焦反射镜与高分辨率CCD(charge coupled device)为主要元件,构建高精度的光束指向检测装置。采用灰度重心法定位光斑中心,并以理想光斑与实测光斑为例进行验证,误差小于1个像元。利用CCD高频采样,统计单位时间内光斑中心位移,获得光束指向稳定性指标,检测实例精度可达1.25μrad。该方法简便易行,测量精度高,适用于各种波长的激光光束指向检测以及其他相关参数的测量。     

天光一号打靶聚焦系统的研制

 介绍了在天光一号MOPA光学角多路系统中，将6束KrF准分子激光引入靶室的方法以及聚焦系统的研制。用紫外CCD相机测得6束激光聚到平面靶上的焦斑直径为290μm，靶上的功率密度达到8×10¹² W/cm²。     

衍射型长程大型非球面轮廓测量仪

分析了基于衍射准直技术的f-θ系统的特点，在此基础上提出了一种新型长程面形仪用以实现对大型非球面光学表面，特别是同步辐射中掠入射光学元件的高精度轮廓测量。成功地研制了样机，目前新型长程面形仪样机的纵向扫描范围可达370mm，分辨率优于0．25μrad，单点稳定性小于0．7μrad/200s，全程测量精度可达1．14μrad，全长扫描的重复精度为0．09μrad。样机测试结果表明，新型长程面形仪轮廓测量方案能够胜任对第三代及后继同步辐射光源中各种非球面光学元件的轮廓测量任务。     

二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术

库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时,需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组,信标光传输路径长,使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加;捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型复杂。针对这两个问题,首先,对比了3种传统库德光路,选择二次成像型库德光路并对其进行设计,通过设计使后续子光路光学口径减小,利于后续子光路轻小型化设计;随后,对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导,通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型,并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真;最后,通过地面试验,对终端的跟踪性能进行测试,实测方位跟踪最大脱靶量为84.65μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为56.33μrad(3σ),满足通信要求的150μrad(3σ),二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。     

Performance of a collimating L‐shaped laterally graded multilayer mirror for the IXS analyzer system at NSLS‐II

The L‐shaped laterally graded multilayer mirror is a vital part of the ultrahigh‐energy and momentum‐resolution inelastic X‐ray scattering spectrometer at the National Synchrotron Light Source II. This mirror was designed and implemented as a two‐dimensional collimating optic for the analyzer system. Its performance was characterized using a secondary large‐divergence source at the 30‐ID beamline of the Advanced Photon Source, which yielded an integrated reflectivity of 47% and a collimated beam divergence of 78 µrad with a source size of 10 µm. Numerical simulations of the mirror performance in tandem with the analyzer crystal optics provided details on the acceptance sample volume in forward scattering and defined the technical requirements on the mirror stability and positioning precision. It was shown that the mirror spatial and angular stability must be in the range <8.4 µm and <21.4 µrad, respectively, for reliable operation of the analyzer.     

二维光束扫描镜的非线性畸变

本文通过坐标变换导出了一种二维光束扫描系统的光束表达式.利用该表达式对扫描振镜的非线性畸变作了讨论.指出,这种畸变只在X镜的扫描方向上发生,而畸变的程度与Y镜的偏转角有关.     

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。     

微振动激励作用下编组站镜架对光束指向的影响

 编组站是靶场光路传输系统的重要组成部分,编组站镜架的稳定性对光路的传输有着直接的影响。为了分析微振动对光束指向性的影响,采用有限元分析软件建立镜架的有限元模型,将数字式地震仪测得的镜架安装平台的速度功率谱密度函数作为载荷施加到分析模型上,计算得到了编组站光学元件（A,B,C,D）在基座微振动激励作用下的转角漂移分别为0.338,0.327,0.289,0.241 mrad,均小于稳定性指标0.460 mrad的要求;采用加速度传感器对光学元件A的转角漂移测试结果为0.340 mrad,与分析结果的误差为0.6%,说明所采用的计算分析方法是有效的,为精密镜架的设计分析提供了有效的方法。     

扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响

利用TDI CCD成像数值仿真模型,研究了TDI CCD测量系统的测角精度随扫描镜速度稳定度的变化规律。首先根据TDI CCD推扫成像的物理过程,建立了数值仿真模型,设计了从光学像和扫描镜稳定度到数字图像的仿真链路;然后利用图像重心计算方法求取图像中心坐标并得到目标点的角位置坐标;通过蒙特卡诺法进行海量打靶试验,对结果进行统计得到扫描镜各稳定度水平上的测量精度值;最后将某工程样机的扫描镜速度稳定度带入仿真模型,仿真结果表明：测试误差增大5.67 μrad,达到了像元角分辨率的1/4。在光学测量系统的系统设计时,需要考虑像元分辨率及扫描镜稳定度的综合影响,选用合适的扫描镜稳定度要求,使测量角分辨率满足用户需求。     

计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调

为满足复杂航天光学系统对精度的要求,克服传统基准传递技术与计算机辅助装调技术对多于3片反射镜的复杂光学系统进行装调时存在的局限性,提出了两种技术相结合的装调方法。采用提出的方法对三镜消像散（TMA）空间相机进行了装调,结果显示：三镜在Y向和Z向的失调量分别由18.651和9.879 mm降低到1.036和0.102 mm,系统波前差达到全视场平均值1/14λ（RMS）。结果证明：此方法能有效缩短装调时间并达到系统要求的精度指标,对于多镜复杂光学系统装调具有指导和参考价值。     

一种ICF用新型可阵列反射镜架结构

运用并联机构原理设计了一种新型惯性约束聚变(Inetial Confinement Fusion, ICF)用可阵列反射镜架结构,并用坐标变换方法分析了机构的调整正交性与旋转轴正交性之间的关系.装置的实际测试结果表明调整正交性与分析结果一致,并且反射镜架的稳定性以及调节准确度均能符合ICF装置的使用要求.