激光光束管控中光瞳光轴自动准直技术的应用

针对复杂光机系统设计中光瞳光轴位置的传递问题,构建了光瞳光轴镜耦合控制的算法模型以及实施控制的解析公式。依据耦合控制流程,阐述了解析公式中各系数的标定过程及其方法。同时通过搭建的试验光路,验证了上述模型及解析公式的合理性。结合探测器靶面上解算出的光瞳光轴光斑中心,通过光瞳光轴耦合镜各自两电机联动控制,可单步内实现光瞳光轴的快速耦合。执行3次不同控制策略下的光瞳光轴耦合,可使光瞳耦合精度达到近场光斑的0.2%,光轴耦合精度达到3μrad。     

光瞳半径对纯位相调制激光束整形系统的影响

光瞳截断作用对纯位相调制激光束整形系统的系统性能有重要影响. 本文提出了一种关于光瞳半径对近场调制位相和远场系统评价函数影响的定量分析方法. 通过拉格朗日乘数法等方法分析光瞳半径对近场调制位相的影响, 结果表明: 近场调制位相随光瞳半径近似线性增加. 通过建立数学模型, 拟合分析光瞳半径对系统评价函数的影响. 结果表明: 对方形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到99%左右, 光瞳半径为2.5倍高斯光束束腰半径时, 相关系数达到0.997, 光强偏离残差平方均值达到0.0004左右, 光瞳截断作用趋于最小; 对圆形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到97%, 光瞳半径为3倍高斯光束束腰半径时, 相关系数与光强偏离残差平方均值变化幅度均在10^-3量级, 系统评价函数趋于收敛, 光瞳截断作用趋于最小.     

拉盖尔高斯径向偏振光高数值孔径聚焦特性

光波在高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布呈现出的特殊性质已经被应用到光学显微成像、微粒控制、光存储等领域中.本文基于矢量Deby衍射理论研究了TM01模拉盖尔高斯径向偏振光经高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布.通过调节入瞳半径与光束束腰之比,发现拉盖尔高斯径向偏振光光斑由明亮尺寸小光斑变化成环形中空光斑,并且通过光瞳滤波器...     

腔镜热变形对非稳腔光场特性的影响

 研究了高功率气体激光器中谐振腔腔镜热变形效应。采用时间离散化方法,利用虚共焦折叠非稳腔3维物理光学负载模型和ANSYS热效应计算程序,将光腔稳态模式的快变过程与镜面变形的慢变过程耦合起来,研究了真实器件的腔镜变形和光场模式的相互作用;计算给出了16 s热变形下硅镜和石英镜面输出功率的下降程度和远场光束质量的退变程度：在16 s热效应下,硅镜实际光斑半径与理想光斑半径的比值变化小于1.5,而石英镜值变化达到4,可知长时运行下选用硅镜明显优越于选用石英镜。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

光轴方向任意时光折变晶体中体全息光栅的衍射性质

利用坐标旋转方法和Kogelnik耦合波理论,建立了光轴方向任意时单轴晶体中体光栅布拉格衍射的耦合波方程,分析了Li NbO3晶体的光轴方向对光折变体全息光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射性质的影响。模拟计算表明,在给定光栅的结构参量时,通过适当选择光轴方向角可以使得光折变体光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射的衍射效率达到最大,给出了相应类型的衍射效率取得最大值时晶体光轴的大致方向。这些理论分析为光折变体全息光学器件的优化设计和进一步广泛应用提供了很好的理论参考依据。     

大口径红外成像系统的光学设计

推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后，转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式，才能做到光瞳匹配，这就是冷屏为系统的出瞳．而入瞳是主反射镜的口径。消像差由主镜、副镜的非球面及转像透镜上的一个非球面承担。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性，红外系统的口径取为250mm，红外接收器的冷屏直径为5mm，冷屏到红外像面的距离为20mm。两镜系统主镜的曲率半径选定为-1000mm及-800mm两个值，两镜系统焦距为2000mm，1500mm及1000nm三个。共计算了六种结构参量不同的系统。     

星间激光通讯中的精跟踪研究

星间激光通讯中，精跟踪起着十分重要的作用，而精密偏转镜(FSM)是精跟踪系统中最为关键的部件.基于光学矢量反射定律，推导得到了FSM的精确光学特性，这一特性为精跟踪控制系统提供了精确的理论依据.设计了基于FSM精确光学特性的精跟踪控制系统，对系统整定所用的单纯形法进行了两点重要改进，并对所设计的精跟踪系统进行了数字模拟，由此实现了对FSM的精确控制，提高了精跟踪系统的精确性；将光学衍射超分辨原理应用到星间激光通讯中.利用三区位相光瞳滤波器的超分辨性能，改变光学系统的点扩散函数，从而改变接收端焦平面上的光强分布.由此减小接收衍射光斑的大小，提高系统的光学分辨能力，从而提高精跟踪系统的精确性. 关键词： 星间激光通讯 精跟踪 精密偏转镜(FSM) 超分辨 光瞳滤波器     

平台间光束耦合传输与控制技术研究

介绍了平台间光路耦合传输系统的构成及光轴稳定控制的实现方法,开展了耦合校正系统和探测控制系统的设计,对校正系统进行了动态范围和模态仿真,优化设计后研制出光束耦合传输与控制系统。在对快反镜性能参数测试之后,开展了平台间光束耦合传输与控制实验,当振动台加载0 db振动谱且控制系统开环时,光轴X轴抖动10.9″@RSM,Y轴抖动102.3″@RSM,闭环时,光轴X轴抖动0.75″@RSM,Y轴抖动1.11″@RSM,通过频谱分析发现,快反镜光轴耦合系统闭环时对28 Hz以内光轴抖动具有较好地抑制作用,在系统开环残差较大的频率段2～6 Hz的抑制比为?40～?30 dB。实验结果表明,该光轴耦合控制系统对平台间光束传输过程中光束抖动具有较好地抑制和稳定效果。     

光镊轴向阱位操控及器件安装误差对径向阱位操控的影响

光镊利用光学梯度力捕获和操控微小粒子,已经成为深入研究生物分子间相互作用等微观机制的独特技术.光镊光束操控系统一般由扩束输入镜、扩束输出镜、调焦透镜、耦合透镜和压电转镜等光学元器件组成,以保证物镜后瞳充满的前提下实现光镊阱位操控.光镊阱位的三维精确操控是实现光镊位钳和力钳模式的基本条件.本文根据矩阵光学,对基于无穷远校正显微镜的光镊操控光路进行计算,分析扩束输入镜、调焦透镜和物镜轴向位置调整,以及压电转镜、调焦透镜和耦合透镜安装位置误差对光镊径向阱位操控精度的影响,得到了物镜高度调整基本不会影响光镊径向位置操控,压电转镜和调焦透镜的安装位置误差对光镊径向阱位操控精度影响最大等结论,提出了能够实现径向阱位精确操控的轴向阱位动态操控范围,为光镊设计和操控提供理论和实验指导.     

傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质

研究了垂直光轴入射的傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质.通过角谱的方法得到了寻常光（o光）和非常光（e光）在晶体中传输的严格解，并得到了傍轴近似下的矢量传输模型.利用这一模型，分析得到了垂直光轴偏振的入射光束在晶体中只激发o光，而平行光轴偏振的入射光束在晶体中同时激发e光和二阶小量的o光. 关键词： 傍轴传输 单轴晶体 矢量效应     

非均匀光斑导致相变镜镜面偏转的研究

 针对高功率激光器中非均匀光斑热致变形导致光轴偏转的问题，提出用相变致冷镜作为腔镜来减小镜面变形峰谷值和角向偏转，在2kW连续二氧化碳激光器上进行了热变形和光束漂移实验。实验表明，与普通实心硅镜相比，相变致冷镜镜面温度分布更均匀，可有效地减小镜面偏转角和光斑中心漂移，提高远场光束质量。     

室内多波段光轴一致性测试系统的设计

介绍用于室内检测多波段光电设备光轴一致性的测试系统。该系统采用准直平行光管为测试系统提供无穷远目标。为满足全波段测试，光束无中心遮拦，系统选用离轴抛物面全反射光学系统。采用多光谱分光镜为激光光斑提供瞄准基准，带温控热十字丝的高斯目镜为红外和可见光波段提供瞄准基准，实现了光电设备之间可见与红外、可见与激光、激光与红外光轴的一致性测试。系统具有测试精度高、测试结果可靠等特点。根据初步估算，可见与红外、可见与激光、红外与激光之间的光轴一致性测试精度分别达到了4.01″， 1.08″和 4.05″的水平。该系统有效解决了多波段光测设备光轴间的一致性测试问题。     

角量控制的激光天线设计

在多环检测系统理论的基础[4,5]上,通过对激光天线单镜和双反射镜的高斯光束的传播规律和双镜距控制光斑稳定不变的实验数据[1,2],来进行激光天线的设计。设计采用了高斯光束控制入射光束的光腰位置,对天线副镜和主镜的入射角、反射角和天线发散角的控制方法,设计了天线的副镜和主镜的曲率半径、焦距和直径,达到了光斑保持的目的。计算公式简单,使用方便,计算公式和实验测定的数据误差在工程设计要求的范围以内,适合工程设计的需要。     

多光轴渐进变焦眼镜设计

提出了一种多光轴渐进多焦点镜片设计方法,选取人眼观察使用的实际光瞳为眼镜通光口径内的小光瞳对应的元透镜设计。在子午面上,镜片视远点与视近点之间的光焦度由8次多项式确定。在光瞳面内,包含远视区和邻近视近区光瞳的光焦度分别取双曲线类型和抛物线类型分布。鉴于元透镜都是小像差系统,把元透镜看作是中心厚度已知的薄透镜,采用高斯光学方法设计面型,不必进行光路追迹和像差平衡。实验结果表明,多光轴渐进多焦点镜片屈光度和像散符合理论设计分布要求。为渐进多焦点镜片设计提供了一种新的途径。     

强激光与红外传感器光轴平行性测量仪器的研制

研制了一种可在野外使用的光轴平行性测量仪器，该仪器利用热靶技术进行1．06μm激光谱段到3～5μm、8—12μm红外谱段的转换，实现了对光电跟踪测量设备25MW强激光发射器光轴与红外传感器光轴间的平行性误差测量。仪器的设计主体采用完全对称的结构和积木式的组装方式，保证了仪器在野外恶劣环境下保持测量精度不变。通过巧妙地利用电磁开关控制，实现了仪器靶面的远距离控制转换。装调工艺和检测措施确保了仪器的测量精度，并通过各种环境试验验证了仪器的可靠性。对仪器精度和环境适应性测试表明，该仪器测量精度达到10＂，并可在-30℃-＋60℃的条件下，保持精度≤10＂。     

椭球面反射镜的光轴引出方法

椭球面镜作为反射式镜头主镜的常用类型,准确、便利地引出其光轴,在镜头装调过程中是必不可少的。传统的光轴引出方法主要依靠三坐标仪进行测量,由于其角度拟合精度低、接触式测量和尺寸限制等缺陷,已经无法满足现下的大口径光学镜头装调需求,为此,提出一种新型椭球面主镜光轴引出方法,该方法通过设计一个平面球差补偿器,搭建出椭球面镜的无相差面型检测光路,将椭球面镜的光轴转换为补偿器的法线,再使用经纬仪测量法线与结构基准间的角度关系,间接地引出主镜光轴,光轴引出精度可达1.4″。相较于传统的光轴引出方法,该方法具有更高的角度测量精度、非接触、无尺寸限制等优点,适用范围更广。     

提高变焦电视光轴稳定性的装调工艺技术研究

针对连续变焦镜头光轴稳定性精度难以控制的问题,分析了影响光轴稳定性的主要因素,运用UG软件对连续变焦电视的曲线套筒和导杆进行了三维实体建模,应用有限元的方法对该模型进行了热力学分析;提出了有别于原有调校措施的方法和控制数据,采用胶粘与压圈相结合的双重固定方式来固定前组镜,提高了该型连续变焦镜头装调过程光轴稳定性,将产品的光轴稳定性从原来的12以内提升到5以内,为后续同类产品的研制奠定了装调基础和理论依据。通过试验验证了所提出方法的有效性。     

基于椭圆检测的离轴抛物镜定心装调方法

针对一种高精度线偏振辐射计的离轴抛物镜定心装调问题,提出了基于椭圆检测的定心装调方法。逆光路使视场光阑在相机焦面成像为光斑,采集视频图像,使用基于最小二乘拟合法的椭圆检测方法得到光斑中心运动轨迹,从而得到离轴抛物镜的光轴倾斜误差。编写装调专用辅助软件用于相机控制和图像的处理、显示,实现定心装调的定量化可视化。技师通过观察软件界面中的光斑中心轨迹的变化,判断装调的方向和力度。经验证,该方法使定心装调误差检测精度不再受限于人眼观察,有效地指导了技师装调,最终装调误差由1.33降到0.3,满足装调需求。     

两种对称型稀疏孔径系统的成像研究

提出了复合三子镜稀疏孔径结构，它由九个子镜组成，每三个子镜组成一个次级光瞳，三个次级光瞳组成一个主光瞳，其结构是对称的冗余结构.研究了三臂和复合三子镜两种对称型结构稀疏孔径系统，比较复合三子镜和三臂结构的特点与调制传递函数，对不同填充因子的两种结构的稀疏孔径模拟成像和维纳滤波，并进行像质评价，同时和非冗余的Golay6结构进行比较.结果表明：复合三子镜稀疏孔径系统在结构分布、成像质量等方面优于三臂对称结构稀疏孔径系统，对称型稀疏孔径系统在结构排列上具有对称易装调的优点.