滚转角误差的光学精密测量技术研究

提出了基于两点法的精密移动台滚转角测量新方法,可以将移动台滚转角误差与参考镜角形状误差分离开来.实验结果表明,滚转角误差的测量重复性精度可达0.05',这个值是由测量系统稳定性决定的.     

角锥棱镜用于激光直线度测量的特性分析

对角锥棱镜用于激光直线度测量时可使测量精度提高一倍的光学特性进行了分析。分析了角锥棱镜的制造角差、面形误差和测量过程中角锥棱镜的偏摆、俯仰、滚转对直线度测量的影响。用实验验证了分析结果。分析结果为角锥棱镜用作激光直线度测量时的误差分析和误差补偿提供了理论依据。     

五角棱镜光学平行差的理论分析

利用矩阵光学方法,计算得出五角棱镜两种光学平行差的解析表达式,分析五角棱镜光学平行差与工作面法向矢量夹角的矩阵关系.基于Agilent激光干涉仪角度测量系统和DHC三维转台搭建实验装置,测量了Thorlabs五角棱镜的两种光学平行差.实验和解析式计算结果偏离度不超过4%.五角棱镜滚动角、偏摆角的变化等效于五角棱镜光学平行差的变化.通过坐标系变换,五角棱镜的自身误差和系统在线测量误差可以被同时标定.该研究对五角棱镜的实际加工、测量系统标定,以及高准确度面形检测提供了参考.     

从入射面检测锥体棱镜直角误差的方法

介绍了一种应用激光平面干涉仪从入射面检测锥体棱镜直角误差的方法。棱镜被测角通过一个夹具被预置一个初始角,使射入棱镜内的测试平行光垂直于被测角棱,经被测直角的两个面反射后形成全反射光路,当射出的光与测试平行光重合时产生干涉,实现对锥体棱镜直角误差的测量。介绍了测量、干涉条纹图形分析和直角误差计算的方法,并与传统检测方法进行了比较。结果表明,该方法具有操作简单、测量准确、计算精度高等特点,适合于高精度锥体棱镜(α≤3″)的直角误差测量。     

偏翼标模小滚转力矩测量与气浮轴承动态特性研究

基于气浮轴承的自由滚转实验技术是测量再入飞行器小不对称滚转气动力的重要方法.文章研究中对偏翼标模进行了小滚转力矩测量,并针对实验系统的特点,对气浮轴承进行了无风实验标定和真空实验标定,给出了其动态特性结果.进一步分析了气浮轴承动态特性、原始数据采集测量误差和参数辨识误差对实验结果的影响,并给出了综合误差分析结果,说明了主要误差来源.结果显示:滚转力矩系数和滚转阻尼导数测量综合误差分别约为10-7和10-4量级,实验中可根据实际情况进行误差处理.研究结果对气浮轴承自由滚转实验精度提高、方案设计和设备研制等具有重要的实际意义.      

五角棱镜角度误差对建立大尺寸平面基准的影响

用一准直光束作为基线，通过９０°折转的五角棱镜扫描，建立一个参考基准面在大尺寸测量中是一种行之有效的方法。在理想条件下，五角棱镜的折转角不受入射角的影响。由于有加工误差，光束的折转角将偏离９０°，且入射光线与扫描轴间的角运动也会影响该偏转角。本文分析了五角棱镜角度误差和扫描精度对光束折转角的影响。结果表明，五角棱镜的制造误差和工作状态将引起测量带误差，该误差是一个固定的系统误差，可以通过预先对所用的五角棱镜进行标定，在数据处理中予以修正。实验结果表明，修正后的结果具有很高的精度     

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.     

差分五棱镜扫描法在波前检测中的应用

为了实现高精度大口径平行光管波前检测,评价平行光管出射波前质量,提出了采用差分五棱镜扫描波前检测方法检测平行光管.该方法为五棱镜扫描法的优化方法,通过测量波前斜率的改变得到波前曲率的信息来重构波前,从而消除由于五棱镜扫描法波前检测中质心标定不准确而引入的倾斜和离焦的误差量.通过搭建差分五棱镜扫描法波前检测系统验证了此方法的可行性,并给出差分五棱镜扫描法误差分析说明此方法可靠性.误差分析表明,该方法检测精度可以达到10.54 nm;实验结果表明,该方法相比于五棱镜扫描法分别在波面峰谷值(PV)和均方根值(RMS)的重复性精度上提高了74.41%和125.81%.该方法基本满足平行光管波前检测精度高、稳定性好的要求,可以客观准确地评价平行光管出射波前质量.     

横向调制偏振光测量导轨直线度

介绍了一种测量导轨直线度误差的新方法,利用偏振干涉原理调制出一束偏振角随光束横向坐标线性变化的特殊线偏振光光束,通过一个随直线度误差移动的光缝测量出光束中不同位置的偏振角,根据直线度误差与偏振角之问的线性关系,实现对直线度误差的测量.从理论上对该方法进行了论证分析,进而详细介绍了光学调制器的组成,设计了偏振角测量的光电组件,并进行了相应的实验.实验结果分析表明,该实验装置的直线度误差与偏振角之间的直线拟合相关指数R2优于0.9995,且测量直线度误差范围不低于0.5 mm,构建的测量系统经标定后测量分辨力可以达到亚微米级,测量不确定度达到1μm.该方法不仅实现方便、可靠性较高,而且可以克服测量时由于光强变化、导轨形面误差对测量结果的影响,稍加改进即可实现二维直线度误差测量,测量精度与自准直仪相当,具有一定的理论研究意义和较强的实际应用前景.     

激光干涉测长未对准误差分析

分析了激光干涉测长原理,建立了测长光路中角锥棱镜的光线偏移模型及内部光程模型,推导了忽略直线度误差及角度误差的未对准误差对定位误差测量结果影响关系的简洁表达式,进行了定位误差的测定实验,给出了未对准误差的一种定量评估方法.     

五角棱镜的光束转向误差对波前测量的影响

从分析五角棱镜的角度制造误差产生的光学平行差入手，推导出确定入射光线和棱镜调整的表达式；利用棱镜转动定理建立了五角棱镜的光输出平面波前与其角度制造误差和导轨引起的运动误差之间的关系；并用计算机模拟试验分析了五角棱镜的角度制造误差和导轨引起的运动误差产生的扫描光束转向的波前误差。指出此研究结果有利于五角棱镜的加工和棱镜调整，还有利于大口径望远系统波前检测过程中扫描光束转向的波前误差的修正。     

角锥棱镜的远场衍射特性

角锥棱镜具有空间反射特性，广泛用作激光测距的合作目标，不同的使用情况有不同的精度要求，对用于远距离测距的角锥棱镜其远场衍射特性将直接影响测距效果。通过对角锥棱镜角度误差和面形误差的分析，建立了具有角度误差和面形误差的角锥棱镜的出射波面的波差分布，并按照光波的衍射原理计算具有误差的角锥棱镜的远场衍射图。通过衍射图可以看出出射光束的发散程度随着角度误差的增加而增加，直至完全分离成六束光束。同时，面形误差的增加将导致衍射图的急剧恶化，使出射光束的质量明显降低。角锥棱镜的衍射特性对角锥棱镜的设计和评价具有指导意义。     

直角屋脊棱镜与立方角锥棱镜的光学特性

在光学工程应用方面，常利用棱镜对光路的折转作用，完成一定的转像、检测和测量等工作。在实际应用中，考虑到棱镜加工误差对光轴产生的影响，应用动态光学理论及推导公式，分别给出直角屋脊棱镜与立方角锥棱镜的作用矩阵、特征方向和极值轴向，得出2种棱镜光轴偏差的数学模型。根据实际加工误差，进一步推导出2棱镜的理论误差，并对2棱镜的理论误差进行比较。最后得出可以用直角屋脊棱镜代替立方角锥棱镜的结论。     

ZEMAX辅助分析斜方棱镜面形误差对出射光平行度的影响

介绍一种根据出射光平行度要求计算斜方棱镜面形误差的方法。根据忽略局部光圈数的简化分析模型，获得面形误差对应光圈数与相关球面半径的关系，通过几何处理方法，求得一定面形误差对应的球面半径与平面倾角的关系，将斜方棱镜的工作面倾斜一定角度，运用折射定理，将具体面形误差转化为相应平面的倾斜角度，得到出射光相对于理想光轴的倾斜角度及其关系式，并在ZEMAX中建立斜方棱镜的两种模型。根据ZEMAX仿真结果，给出了各个工作面形误差分配方案，得出随着光束口径的增大，斜方棱镜反射工作面和折射工作面面形误差对出射光偏折角影响规律不同等结论。     

高精度角度加工技术研究

激光陀螺不仅对合光棱镜角度精度有极高的要求，而且对角度和尺寸的一致性有严格的限制。为了加工这种高精度角度光学元件，提出通过手修工装母体复制出成盘加工工装，再复制出光学零件的加工方法，并分析了测角仪的测量精度、面形之间的匹配误差和平行的测量误差所引入的角度加工误差情况，提高了面形加工的平面度，避免了局部不规则现象，控制了温差对面形变化的影响。另外通过降低平行测量的误差以及减小闭合角度之间的叠加误差等具体措施也可以提高光学元件加工效率和角度加工精度。     

折叠式角锥棱镜谐振腔的偏振特性理论与实验研究

建立了角锥棱镜的偏振模型,分析了角锥棱镜对入射线偏振光的偏振态的影响,分析表明角锥棱镜的单个入射区域存在特殊的偏振方向,该方向的线偏振光被角锥棱镜反射后仍然是线偏振光。利用角锥棱镜的该特性设计了腔内存在线偏振光振荡的角锥棱镜激光谐振腔,能够使用电光开关调Q,在振动环境中具有较好的抗失调稳定性。研制了激光器样机并进行了实验,在重复频率为10 Hz时,输出激光单脉冲能量大于300 mJ,光束质量因子β值在2左右,实验结果也表明角锥棱镜的棱和顶点并不影响输出激光的光束质量。     

五角棱镜制造角差及抖动对其转向角的影响

从五角棱镜的原理和特性出发,分析了在理想条件下五角棱镜的转向角不受入射角的影响,详细讨论由于五角棱镜加工角差和相对入射光束抖动对其转向角的影响,给出了相应的精确表达式。其中对于入射光在垂直于入射面抖动的情况,由于不能简单从二维几何光学关系分析,而采用了矢量分析方法,得出:当角差δβ=δθ时,入射角抖动对转向角偏差的影响可以忽略,而转向角偏差与制造角差几乎成线性关系。为五角棱镜用于计量测试误差分析提供了理论依据。结论对五角棱镜的制造也有很大理论指导的意义。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术，简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体，将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来，实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行，输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

参考光束型激光多普勒测速仪的误差分析

阐述了参考光束型激光多普勒测速仪的基本原理,从理论上分析了原理公式近似、高斯光束干涉、激光线宽、探测器孔径、有限渡越时间、信号处理算法、空气折射率变化及角度测量等诸多因素对激光多普勒测速仪测量结果造成的误差,研究并给出了每一种影响因素所引起误差的理论公式,在每一种影响因素中具体讨论了各种光学参数对测量误差的影响并对部分参数进行实验研究。理论分析和实验表明:在实验中需要选择线宽较窄的激光器及孔径较小的光电探测器,而在选择光束光斑半径和信号光中心光线的方向与粒子运动方向的夹角时,既要考虑激光的质量和多普勒信号的强度,同时也需要考虑原理公式近似、探测器孔径的尺寸、有限渡越时间及高斯光束干涉等多种因素对测量结果的影响。     

用ZEMAX模拟五棱镜误差对平行度检测的影响

介绍了用五棱镜法检测大口径光束平行度的原理。分析了五棱镜加工的角度误差及面形误差对检测结果的影响，得出了五棱镜角度误差不影响检测结果，2个折射面的面形误差对检测结果的影响较小，2个反射面的面形误差对检测结果影响最大的结论。介绍了选择五棱镜的方法和减小面形误差影响的方法。最后，给出了用五棱镜法检测单星模拟器出射光束平行度的应用实例。