成像与激光发射系统的共口径设计与实验

将成像光学系统同时用作激光发射天线的共口径设计可有效减轻卫星载荷质量和应对各种突发状况。首先根据激光通信的能量计算链路,分析了激光发射天线的设计要求,明确了激光发射天线与成像光学系统的不同;然后根据特定的成像光学系统给出了3种具有普适性的共口径设计方法,并对这3种方法的性能进行了分析和比较,给出了它们的优缺点和适用范围;最后对所设计的共口径系统进行了发射光束仿真,经过对设计系统加工、装调后进行了室内的成像、通信实验,结果显示发射激光的最小束散角可达18.2 μrad,接近系统衍射极限,出射光斑质量良好,接收到的图像与成像系统所成图像肉眼观测无失配。初步证实该共口径设计可实现光学系统的成像和通信任务要求。     

激光共聚焦近红外荧光扫描系统光学设计

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描,设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计,并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明:照明光路的聚焦弥散斑小于1 m,照明针孔处的聚焦光斑小于40 m,满足照明针孔的尺寸要求;发射针孔处的聚焦光斑小于10 m,满足探测针孔尺寸要求;同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求,照明光路在全视场空间分辨率420 lp/mm处MTF0.08,发射光路在全视场空间频率400 lp/mm处MTF0.07。     

用于激光定向红外对抗的光学系统设计

依据机载光电武器小型化、轻量化的发展需求,设计了一套激光红外共光路光学系统。其中红外系统波段为3 μm～5 μm, F数为2,采用中波640×512 pixel的面阵探测器, 像元尺寸为15 μm×15 μm,激光发射与红外光路共用望远系统,光学系统利用立方棱镜实现方位360°和俯仰0°～90°范围的扫描,采用共光路设计可减小光路中反射镜和透镜等零件的尺寸,具有结构紧凑、质量小等特点。重点针对共光路中光学元件引入激光后向散射的问题,采用CODE V和LightTools联合优化的方法避免其影响,保证光学系统成像性能优良。     

适用于高精度激光测距的光学系统设计北大核心CSCD

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。     

基于非共轴阵列照明的小型化眼底相机光学系统设计

建立了非共轴阵列照明下的眼底成像数学模型,采用照明光路与成像光路独立设计方法,提出了一种微小型眼底相机光学系统,以避免传统眼底相机中人眼角膜与网膜物镜反射杂光对视网膜图像的干扰.设计了6阵列环形光源照明光路系统,长度仅17.9 mm,实现眼底视网膜有效照明线视场不小于12 mm;成像光路系统采用二次成像设计,光学调制传递函数优于0.2@91 lp/mm,畸变小于5%,长度仅为75 mm.仿真与设计结果表明,该眼底相机光学系统有效抑制了光路中的杂散光,有利于获得高对比度视网膜图像.研究结果可为高像质、小型化以及低杂光眼底相机发展提供设计参考.     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

激光收发望远镜的几何布局对光束到达角起伏相关性的影响

大气湍流的倾斜扰动会导致光束在通过大气后到达角发生起伏。对于激光测距、激光导引星等应用场合,激光分别在发射和接收时两次通过了湍流大气。激光收发望远镜几何布局方式的不同会引起激光发射和接收光路中的倾斜相关性出现差异,最终影响接收望远镜探测到的激光到达角起伏。从激光收发望远镜布局的一般几何模型出发,利用Zernike多项式波前展开,给出了受大气湍流影响的分离孔径倾斜相关函数。分析了收发共光路与非共光路情况下,不同的几何限制导致的光束到达角起伏相关性变化。最后,讨论了不同的激光收发望远镜的几何布局对接收望远镜探测到的光束到达角起伏的影响。     

微透镜阵列的合成孔径成像激光雷达收发光学系统

为解决合成孔径成像激光雷达受制于相干天线定理的问题，扩大成像视场，提高相干收发光学系统效率，提出并研制了基于4×4尾纤式微透镜阵列接收的相干收发光学系统，建立了全视场光学系统耦合效率计算模型，完成了高精度的收发光学系统集成装调及系统光学效率测试。结果表明：发射链路与16路接收链路的光轴最优偏差优于4″，中心视场光学系统效率优于73.1%，全视场光学系统效率优于65.5%，可满足激光雷达成像试验要求。     

激光羽烟透过率测试技术研究

为了准确评估固体推进剂的性能,研制了红外激光羽烟透过率测量系统。系统采用透射的方法:在发射端对激光信号采用内调制,由光学系统送入接收端,并将接收到的信号进行光电转换、信号处理和A/D转换后送入计算进行数据的处理和显示。现场测试结果表明该系统的精度、响应速度和稳定度达到设计要求。     

高功率准分子激光系统光学设计

 回顾并介绍了高功率准分子激光系统设计中需要综合考虑的两项主要技术——像传递技术和角多路技术。讨论了照明方式和激光振荡源的光束整形在激光系统成像光路设计中的重要作用,对多路放大技术及角多路放大技术形式进行了系统分析。多路激光非相干合束是角多路技术和成像技术对高功率准分子激光系统光学设计提出的特殊要求,在简要分析了透射阵列和反射式望远物镜两种实现多路激光合束的打靶光学系统基础上,提出了一种利用反射式打靶光学系统和一套光学延迟线阵列来同时实现角多路编码和解码的新型光路布局,给出了初步设计方案。     

高能激光束自动对准和稳定系统的结构设计

介绍了一种用于两个光学平台之间光轴自动对准和稳定光束的设计方案。以可绕ｘ,ｙ,ｚ三个方向转动的导光管为单元,组成导光臂连接两个光学平台,消除两个平台之间相对运动产生的光轴对接偏差。用压电陶瓷驱动的倾斜镜作光束稳定元件,消除光束自身的漂移和平台间高频振动产生的光轴偏差。     

An approach of open-path gas sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a new method to detect trace-gas qualitatively or quantificationally based on the scan characteristic of the diode laser to obtain the absorption spectroscopy in the characteristic absorption region. A time-sharing scanning open-path TDLAS system using two near infrared distributed feedback (DFB) tunable diode lasers is designed to detect CH4 and H2S in leakage of natural gas. A low-cost Fresnel lens is used in this system as receiving optics which receives the laser beam reflected by a solid corner cube reflector with a distance of up to about 60 m. High sensitivity is achieved by means of wavelength-modulation spectroscopy with second-harmonic detection. The minimum detection limits of 1.1 ppm·m for CH4 and 15 ppm·m for H2S are demonstrated with a total optical path of 120 m. The simulation monitoring experiment of nature gas leakage was carried out with this system. According to the receiving light efficiency of optical system and detectable minimum light intensity of detection, the detectable optical path of the system can achieve 1 - 2 km. The sensor is suitable for natural gas leakage monitoring application.     

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。     

用于激光接收/目视瞄准镜的共光路光学系统设计

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求,将目视瞄准镜作为校轴光学基准,采用共用摄远型物镜组,并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜,实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为3.7 mm、出瞳距离不小于20 mm;激光接收系统视场为1 mrad、接收口径为50 mm,设计结果满足指标要求。     

光阴极微波电子枪驱动激光整形与传输系统

为满足合肥先进光源对高品质注入束流的要求,合肥先进光源预研项目研制了一套光阴极微波电子枪系统作为注入器电子源。为降低空间电荷效应引起的束流发射度增长,对驱动激光整形及传输系统进行了理论和实验研究。通过双折射晶体的脉冲时间整形以及采用光阑高斯截断的空间整形,得到了近似均匀分布的激光脉冲。像传递激光传输光路,实现了光阴极表面激光位置的高稳定性。实验结果显示,光阴极表面的激光位置抖动小于4 μm,激光性能满足实验要求。     

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。     

光通信系统中分光系统光学调整的误差分析

在平行光路中,光学系统的光学元件的误差或微量运动可抽象为绕定点的微量转动,其成像关系可归结为在微量转动下物像共轭关系的依次迭代,利用光学系统这种动态成像关系的思想,建立一个统一的光学调整及误差分析的数学模型。利用此模型分析光通信系统中分光系统的机械安装误差对系统的影响,建立每个反射镜的机械调整坐标,从理论上指导分光系统中每个反射镜的机械调整,最终使通信激光发射系统和精信标激光接收系统的光轴平行度达到5。     

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。     

Finite size panoramic optical system integrated design

Aiming at the present situation of the panoramic target detection field, one laser target panoramic optical system on finite size is designed. The laser transmission optical system proposes a partition beam layout method, namely 360° omnidirectional detection can be realized by 6 fan-shaped light beams with 60° × 1° field angle. The receiving system position and size can be determined based on calculation the transformation of the Gaussian beam through the lens. After the computing and optimizing the lens curvature radius and other optical parameters, the integrated design of the transmission and receiving optical system is completed. The system echo signal experiment is carried out, and the experimental results show the error of the actual value and theoretical value is less than 4.8%. The system works stably and the anticipated design effect is achieved.