星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。     

基于旋转双棱镜的光束复合跟踪控制技术

提出一种基于旋转双棱镜的光束复合跟踪技术,用于取代传统伺服转台实现精密的光学跟踪。首先,建立双棱镜的光束偏转模型,详细推导光束偏转矢量与双棱镜转角间的转换关系,并对跟踪过程中的棱镜旋转非线性问题进行了分析。提出基于快速反射镜进行光轴修正的双棱镜光束复合跟踪方法,通过建立偏转光轴与光学基台间的扰动耦合关系,实现了对双棱镜转速的实时补偿,并改进棱镜控制器以提高光束控制性能。搭建实验系统,对旋转双棱镜复合跟踪技术进行验证。在动态跟踪实验中,采用改进控制器的双棱镜的控制精度明显提高,相较于比例-积分-微分控制器和线性自抗扰控制器,所提出的改进控制器使棱镜的控制精度分别提高58.33%和32.81%,并使跟踪误差由改进前的49.03μrad和38.88μrad降低为31.15μrad。开启视轴补偿后跟踪性能进一步提高,总跟踪误差降至7.49μrad,跟踪精度提高4.16倍。实验结果表明,光束复合控制能有效提高双棱镜的跟踪精度,验证了所提方法的有效性。     

光束线光斑位置监测系统

描述了基于CCD摄像的同步辐射光束线光斑位置监测系统.在光束线运行中实时监测光斑与入射狭缝的相对位置.已在国家同步辐射实验室多条光束线安装.对光斑位置及其角度监测的准确度分别达到10.53 μm、2.3 μrad，具有较高的灵敏度.在线监测到同步辐射光斑的垂直抖动0.37 mm、扭转角度83 μrad.说明此时电子束流不稳定，偏离了预计的轨道.同时，为同步辐射光束线的调试和电子束流的诊断提供了可靠的依据.     

平面反射元件的安装误差对光学成像质量的影响

在折转光路中,由于安装误差,平面反射元件会存在三维方向的微偏角.根据棱镜调整理论,分析了由于平面反射元件的安装误差所导致的光束转向、光轴偏离系统光轴的情况,并推导出相应的精确表达式.讨论了光轴偏离后,光斑在靶面上的漂移情况.给出了一种用于修正平面反射元件在光学安装中存在轴向偏转的调整方法,并通过实验验证了该方法的可行性...     

基于Wollaston棱镜的大角度液晶光束偏转系统

设计了一种能够应用于空间光通信的大角度高精度光束偏转系统。系统采用液晶空间光调制器(LCSLM)实现小角度光束偏转,采用多Wollaston棱镜级联实现角度放大。介绍了LCSLM和Wollaston棱镜的光束偏转原理,并对大角度高精度光束偏转系统进行了仿真分析。仿真结果表明系统能够实现角度范围为±13.25°的光束偏转。国内首次提出运用Wollaston棱镜来实现大角度的光束偏转。     

分时偏振成像系统中光束偏离的补偿方法研究

分时偏振成像系统需要通过旋转检偏器获取场景的偏振信息(I, Q, U), 检偏器的前后表面间不平行(也称为楔角)将导致成像光束发生偏离且随检偏器旋转而旋转, 这将降低偏振成像系统的空间分辨率和偏振测量精度. 本文提出调整检偏器相对于入射主光轴倾斜角的方法来补偿上述光束偏离. 以格兰棱镜作为检偏器, 根据几何光学理论, 推导了分时偏振成像系统光束偏离的一阶近似补偿模型, 获得倾斜角与格兰棱镜楔角之间的函数关系, 并通过仿真模拟验证了该补偿方法的可行性和有效性. 研究结果表明, 将格兰棱镜置于汇聚光路中, 光束偏离的一阶误差可以通过调节格兰棱镜的倾斜角有效补偿; 倾斜角大小与棱镜折射率、楔角及棱镜距电荷耦合元件靶面的距离成正比, 与棱镜厚度成反比. 该结果为研制高精度分时偏振成像系统提供了切实可行的理论依据.     

转镜式光谱仪端反射镜误差容限分析

系统分析了当转镜式干涉光谱仪端反射镜发生倾斜，致使反射光束偏转时对干涉图的影响.发现光束偏转带来的误差分为三部分：1）光束偏转导致整体增加的恒定光程差；2）垂直光轴方向因不同光线而引入的偏移光程差；3）光束中心相对于光轴的偏移量.干涉强度中的有效信号减小，同时直流分量不变，因此信噪比降低.最后从调制度和相位误差角度给出了端反射镜倾斜误差容限并讨论了减小干涉图受光束偏转影响的方法.     

精密光束偏离装置棱镜组件的光机热分析

以精密光束偏离装置的棱镜组件为有限元模型，进行了光机热集成分析.对棱镜组件的结构强度进行了校核，分析了机械载荷作用下的镜面变形；通过模态分析，给出了装置的动态特性和镜面面形振动幅值的变化情况；最后对棱镜的热弹性变形进行了分析，对棱镜的光学性能进行了评价.结果表明：棱镜组件的最大变形在10 nm量级，最大应力为0.403 MPa，应力和应变相对于结构的准确度要求和材料的许用应力具有较大的裕度；前后棱镜组件的固有频率都大于550 Hz，装置具有良好的动态性能；通过对比棱镜在热-结构耦合分析和机械载荷下的分析结果，说明热效应对棱镜表面变形的影响远远大于机械载荷的影响.装置使用时必须采取严格的温控措施.     

角锥棱镜的误差引起的反射光束相位误差分析

提出一种计算角锥棱镜反射光束相位误差的方法.光束通过非理想角锥棱镜时会引入一个附加光程差,从而改变光束的相位特性和反射光束的传播方向.在小误差近似条件下,采用光线追迹法建立了一个有效的数学模型,计算角锥棱镜的二面角误差和反射面面型误差引起的传输光束的附加相位,并分析了该模型的理论误差.在二面角误差为1",反射面面形光圈数小于0.5的条件下,该模型的数值仿真结果显示角锥附加相位具有高度的中心对称性,附加相位对入射光束引入的相位平均斜率为零,这一特性与误差的种类和大小无关.角锥棱镜的附加相位模型为分析其在应用中给系统带来的误差提供了一个新的方法,有助于指导不同应用场景中所使用角锥棱镜的加工指标要求.     

基于相控阵雷达模型的液晶光束偏转波控方法研究

针对闪耀光栅模型光束偏转角度数量分布有限的缺点,提出一种基于相控阵雷达模型的液晶光束偏转波控方法。该方法控制液晶电极间相位差,通过改变液晶电极间相位差控制出射光波束方向。使用傅里叶光学方法推导该模型最大偏转角度、光束偏转角度与电极间调制相位关系以及衍射效率和偏转角度的关系。实验证明该方法可实现任意分辨角的光波束扫描, 在0.15°光束扫描范围内实现优于20 μrad的连续光束偏转。     

FSM在高精度瞄准线稳定系统中的应用研究

快速反射镜（fast-steering mirrors,简称FSM）是一种精确控制光束方向的装置。提出用一种基于压电陶瓷驱动的FSM补偿稳瞄系统中粗级平台的残余误差的方法,可以提高系统稳定精度,同时对采用FSM的高精度稳瞄系统进行了仿真。仿真结果表明:粗级平台稳定误差为110 rad,通过FSM补偿后的系统稳定误差不大于8 rad,即采用该方法可将稳定精度提高一个数量级以上。     

基于正解过程的Risley棱镜光束指向控制精度分析

为了获得Risley棱镜系统光束指向控制精度指标设计及性能提升的依据,对系统光束指向控制精度随轴系角度测量精度的非线性变化规律进行了研究。首先,以一级近轴近似矢量合成模型为基础,采用正解方法根据双棱镜方位推导了出射光束指向的解析表达式;然后,结合单自由度轴系伺服控制经验,通过泰勒级数展开的方式推导出了光束指向控制精度与轴系角度测量精度之间的非线性解析表达式,并由此获得了界定限判据;最后,分别对小偏向角系统和大偏向角系统进行了仿真分析,获得了光束指向控制精度在全视场区域内的变化情况。结果表明,本文研究所得的非线性解析式描述了影响系统光束指向控制精度诸多因素之间的相互关系,能够为Risley棱镜光束指向系统的设计及整体性能的优化提供依据。     

Optimum design of aspheric collimation lenses for optical antenna system

Three kinds of aspheric collimation lenses for optical antenna have been design by optimization. The aspheric cylinder collimation lenses with aspheric surfaces (such as elliptic, hyperbolic and parabolic marginal profiles) have been researched for the semiconductor laser beam with the characteristic of dot emitting source. Based on genetic algorithm and the optimization toolbox of MTLAB, the divergence angle has been optimized. The collimation divergence angle is less than 115 μrad has been measured by laser beam analyzer. This optimum design laser beam collimation lenses as a pre-collimation system can be used for optical antenna system. And it can be widely used in modern space laser communication.     

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。     

卫星激光通信跟瞄精度测试方法及其实验研究

卫星激光通信捕获、跟踪、瞄准(ATP)需要端机具备有微弧度(μrad)量级的高精度跟踪能力。如何检验通信端机的这一特性是一个很重要的问题。设计了一套端机跟瞄精度测试装置。装置模拟入射光方向的偏转,端机跟踪从偏转方向发出的回馈信标光。通过测量回馈光远场光斑的位置变化可以得到端机的跟瞄精度。测试实验表明,当入射光方向的变化小于4μrad,测试频率在0~250Hz时,测试系统的精度可达到0.2μrad。此项工作对卫星激光通信的光链路通信的研究以及对端机性能的整体评估具有重要意义。     

激光波长合束精度研究

对双光束波长合束精度进行了研究。用镀有特制光学薄膜的滤光片对波长为532和515 nm的两束激光进行合束,并对合束精度进行检测。基于此系统,建立了对应理论模型,并对合束及检测的误差来源和大小进行全面分析。两光束指向稳定性均为50 μrad时,合束精度理论值为14.69″,指向稳定性所占比例为99.26%,系统对质心定位等不稳定因素（误差变化< 3倍）抗性极好,精度变化< 2.4‰;指向稳定性提高到23.51 μrad时,合束精度理论值为7.09″,指向稳定性所占比例为96.77%,系统仍有较高抗干扰能力,精度变化< 1%。分析表明,影响近场小功率合束精度的因素有激光指向稳定性、机械调节和质心定位误差,其中激光指向稳定性是主要因素。通过调节各因素的比例,可对合束的抗干扰能力进行控制。     

快速高精度电动调整镜研究

高能激光合束系统中反射镜在工作前需要进行快速高精度的指向调整。设计了一种二维电控调整镜,系统主体采用一体化的柔性支撑设计,驱动采用步进电机配合减速机构带动螺杆实现,反射镜偏转角度的精密测量采用电涡流传感器,使用数字信号处理器（DSP）作为主控模块。对系统的工作原理和设计进行了分析,对系统标定方法和控制算法进行了深入研究。为了满足系统调整速度的要求,采用S形加减速算法作为调整镜的控制算法,采用分段线性的系统标定方法。最后对系统进行了实验测试,结果表明,在±500″角度范围内,调整镜到位时间在3 s以内,控制误差小于2″,可以满足系统要求。     

异形光窗的微应力、高精度成型加工技术

针对异形光窗高精度成型加工中存在的问题，介绍了异形光窗的特点和成型技术原理，从镜面保护、定位工装的设计、尺寸测量与补偿算法及铣磨参数优化等4个关键问题开展试验研究，实现异形光窗的微应力精确无损成型，其线性尺寸误差≤0.03 mm，二维角度误差≤20″，斜面倾斜角度误差≤1.2′，表面疵病≤Ⅳ，满足隐身飞机对异形光窗的指标要求。     

Determination of the refractive index profile of a symmetric fiber preform by the transport of intensity equation

The refractive index profile of an axially symmetric fiber preform is determined by using the transport of intensity equation. In this method the preform is immersed in an index-matching liquid, and a collimated light beam impinges on it laterally. The intensity distributions of the transmitted light are measured on two close parallel planes inside the preform core. From the recorded intensity distributions, the deflection function is calculated by the transport of intensity equation. The refractive index profile is obtained by means of Abel inversion. Also, for comparison, the refractive index profile of the preform is measured by the focusing method and the results are in agreement with less than 3% error.