强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。     

低温辐射计紫外探测器光谱响应度测试技术研究北大核心CSCD

通过研制真空多光路切换组件,结合Y型真空比较通道、探测器真空舱,在保证超高真空环境的前提下,实现激光、紫外连续可调单色光以及真空紫外单色光3个光路的快速切换,从而以低温辐射计为基准,以紫外增强硅陷阱探测器为传递标准,实现波长115 nm~400 nm紫外探测器绝对光谱响应度的测量,实验验证绝对光谱响应度测量不确定度在115 nm~230 nm可达到0.8%~1.5%(k=2),在230 nm~400 nm可达到0.5%~1.0%(k=2)。     

EAST铰链式机械臂真空存储舱 CASK系统研制

总体描述了EAST机械臂真空舱系统设计，介绍了实现进展情况。EAST铰链式机械臂是用于在不破坏EAST内部真空环境下对第一壁内部进行近距离观测、快速维修的一种检修工具。考虑到对EAST铰链式机械臂的存储、支撑以及工作条件，需要设计和制造出一个密封的真空舱系统。该系统可以在真空条件下通过一个直径为250mm的连接端口连接到EAST主体机构上。系统设计主要分为真空存储舱CASK腔体、真空系统以及烘烤系统三个部分。     

利用相位差异技术校准非共光路静态像差

提出了一种用相位差异(PD)技术对自适应光学(AO)系统的非共光路静态像差进行校准的方法。相位差异技术通过采集焦面和离焦面的单帧或多帧短曝光图像来估算波前相位畸变,同时对目标图像进行恢复。在闭环工作条件下,自适应光学系统利用相位差异算法在线检测成像光路的静态像差,并将得到的像差系数转化为变形镜的初始化面形,从而补偿非共光路的静态像差。实验结果表明,校准后的成像质量显著提高,目标半峰全宽降低了约14%,系统残差降低了约72%。成像光路在线检测得到的系统残差与闭环回路实测残差的水平趋于一致,证实了相位差异技术应用于光学检测的能力。该方法具有在无需改变原有自适应光路以及高信噪比条件下便可精确解算系统像差的优点,是大口径光电成像系统较为理想的光学检测技术之一。     

变形镜对千赫兹掺钛蓝宝石飞秒激光频谱相位补偿

尝试用光谱展宽的方法从频谱相位(而非时域相位)的角度利用变形反射镜来补偿1kHz飞秒激光系统输出光路的频谱相位畸变,从而提高飞秒激光脉冲的时域强度衬比度,改善其光束质量。频谱相位补偿实验是在一台1kHz掺钛蓝宝石飞秒激光系统输出光路中,针对超短脉冲光束通过传输介质后的频谱相位畸变,引入变形反射镜进行补偿。应用频谱相位干涉直接电场重构(SPIDER)方法和仪器作为测量手段,建立了一套相位测量补偿系统。实验结果表明用变形反射镜可使激光脉冲的相位畸变得到较好的补偿,脉冲的光束质量得到改善。这种方法的主要思想就是将相位补偿转换为空问的光程控制,控制简单且损耗很低,是自适应光学中具有应用前景的一种补偿方法。     

热压载荷作用下气体检测光学窗口对激光传输影响

采用有限元方法研究了不同热压载荷作用下多组分气体原位激光检测系统的光学窗口变形分布情况,并根据热光效应计算得到光学窗口折射率分布。采用光线追迹法对比分析了氮气吹扫前后光学窗口折射率变化及变形对到达接收面的通光量和辐照度分布影响规律。此外,基于高温光学窗口激光透射测试平台开展了高温光学窗口对检测信号影响研究。结果表明:高温高压环境会使光学窗口折射率变化幅度增大及变形加剧,导致激光光路偏折引起透射光强损耗和探测信号条纹干涉;氮气吹扫可以有效改善激光传输条件,增加到达接收面的通光量,优化辐照分布,提高激光传输质量。     

基于随机并行梯度下降方法的动态光束净化实验研究

高能激光系统中通常包含光束净化装置以对激光器出射光束的波前畸变进行连续校正.为研究随机并行梯度下降自适应光学方法在光束净化问题上的可行性,按算法运行时序连续改变37单元变形镜的面形,以在实验光路中引入高能激光器输出光束的常见动态波前畸变,同时采用随机并行梯度下降算法控制同一变形镜对此动态畸变进行校正.实验结果显示,在事先消除系统初始像差的情况下,系统分别以1 kHz和2 kHz的模拟迭代速率工作时,激光束的动态像差都得到了充分抑制,光束质量在整个校正时段内始终维持在较好水平.这表明随机并行梯度下降自适应光学方法应用在光束净化系统中是可行的.     

高能激光系统中的物理问题

文章讨论了高能激光系统存在的一些物理问题，着重分析了高能激光系统能力的物理限制，全系统光束质量控制，光束通道和光学元件热效应的产生和抑制，并报道了相关的模拟实验结果．利用数千瓦的氧碘化学激光器（COIL）系统，研究了激光器输出光束的稳定和净化效果，镜面和镜架热效应及其抑制方法，以及通道介质的热效应及其抑制方法，最后还介绍了全系统光束质量一体化控制的共光路共模式（CPCM）自适应光学校正方法．     

空间相机热光学分析与试验验证

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求,基于光学波像差的基本理论,对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标,并在真空罐中进行热真空成像试验,验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系,最佳焦面位置变化量约0.08～0.1 mm·℃-1|当温度水平在(20±1 )℃之间变化时,像面处在系统焦深范围内,系统传递函数变化量在0.02左右|当径向温差和轴向温差会大于2 ℃引起最佳焦面位置发生移动,若不调焦,传函会明显下降.     

空间相机热光学分析与试验验证

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求,基于光学波像差的基本理论,对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标,并在真空罐中进行热真空成像试验,验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系,最佳焦面位置变化量约0.08～0.1mm.℃-1;当温度水平在(20±1)℃之间变化时,像面处在系统焦深范围内,系统传递函数变化量在0.02左右;当径向温差和轴向温差会大于2℃引起最佳焦面位置发生移动,若不调焦,传函会明显下降.     

采用凝视器件的搜索跟踪系统中的扫描补偿光学技术

为了充分发挥器件的性能,采用凝视探测器件的搜索跟踪系统需要特殊的光学结构补偿搜索跟踪时产生的扫描效应。给出了物方和像方扫描补偿光路的形式和构成,分析了平行和会聚光路两种不同补偿结构的特点,论述了扫描补偿引入的光学问题以及相应解决途径,提出了扫描补偿引入的最大光学原理性误差小于1/3~1/4像素的观点。     

比值辐射计空间环境适应性设计及验证

结合卫星发射以及在轨运行过程中所处的环境条件,对"积分球+匀光板+电磁光开关"形式的比值辐射计进行空间环境适应性设计.对结构薄弱环节进行强化加固设计,通过降低器件功耗、表面热处理等方式保持比值辐射计在真空热环境下的温度稳定,采用航天级光学涂层辅以结构屏蔽设计保证抗辐照能力.通过力学试验、热真空试验以及积分球光学涂层辐照试验进行验证.力学试验结果显示比值辐射计基频约为540Hz,振动前后比值辐射计辐射比变化小于0.31%,证明比值辐射计具有良好的结构稳定性,空间力学条件下的结构强度和刚度均满足基频大于100 Hz的设计要求.热真空试验过程中比值辐射计遥测输出稳定,各功能模块均工作正常.辐照试验后,比值辐射计光学涂层方向-半球反射比在485nm波段的最大衰变小于2%,红外波段无明显变化,该衰变对定标器在轨应用性能的影响可以忽略.研究结果表明,比值辐射计具有良好的空间环境适应性,可在复杂空间环境下进行稳定、可靠的工作,满足航天应用需求.     

热变形测量相机真空保护罐系统

近年来,摄影测量技术研究不断深入,已广泛应用于航天器变形测量、大型飞机机翼动态测量、大型雷达天线阵面测量、卫星天线热真空变形测量等航空、航天与卫星通信领域。针对太空中热变形摄影测量的特殊性,设计了带监控系统的热变形测量相机真空保护罐,保证了热变形测量系统相机在热真空环境下能够正常工作。通过试验,验证了真空保护罐系统的可靠性与稳定性。     

真空波荡器楔口机构结构分析与优化

 为了满足物理设计要求,楔口机构被应用于真空波荡器机械系统设计中。利用有限元分析软件ANSYS Workbench对上海光源真空波荡器的关键部件——楔口机构进行了线性静态分析,得到了该关键部件的变形和应力分布情况及它们对外大梁变形和滚动角的影响,采用补偿弹簧系统并进行参数优化减小了影响,使之满足工作中的高精度需要。分析结果在真空波荡器调试过程中得到了验证,与实际情况基本吻合。     

6.25 Gbps×12通道小型甚短距离并行光收发模块的研制

 介绍了一款基于系统级封装技术的低成本、收发一体、可带电热插拔的12通道小型光模块的研制。该光模块采用850 nm垂直腔面发射激光器阵列及其驱动器作为发射端,光电探测器阵列及其跨阻放大器作为接收端,通过光路无源对准实现了低成本光互连。高速度、高密度封装下的瞬态同步开关噪声、芯片间电磁干扰、通道间串扰、反射等电学问题是实现模块整体性能的难点。基于埋入技术的新型滤波器的使用实现了封装尺寸小型化且改善了电源网络的完整性;基于电磁场、传输线理论的信号完整性设计减小了通道间串扰且通过补偿阻抗不连续结构增加了通道带宽。模块背靠背眼图测试结果显示6.25 Gbps速率下系统传输零误码。     

带舱大型战斗部跌落响应数值分析

采用ANSYS/LS-DYNA动力学仿真软件模拟战斗部跌落试验,基于材料本构模型对战斗部跌落安全性进行预测,得到了不同状态下战斗部跌落的结构变形和装药响应数据。结果表明:带舱战斗部45°倾斜跌落时,壳体和主装药受到的应力和过载均最小,但舱体变形最严重;战斗部大端向下垂直跌落时,壳体受到的应力较小,但炸药受到的应力和过载均最大,工况最恶劣。研究结论为带舱大型战斗部的跌落考核试验提供了指导。     

神光II升级装置波前传输计算模型与验证

基于衍射理论和神光II升级激光装置的光路结构及光学元件波前像差,建立了激光装置光束波前像差传输计算模型,用以获取在实验中难以取得,但对激光系统设计和安全运行非常重要的变形镜校正面型、放大器动态波前像差、空间滤波器波前像差和焦斑形态等过程数据。利用该模型对激光装置常规运行时的静态传输、变形镜加压静态传输和大能量发射3种状态下的波前传输进行理论分析,计算结果与实验测量相一致,并在此基础上对变形镜未加压大能量发射波前传输进行计算。计算模型可用于指导相关器件的设计,优化激光运行控制模式,有利于提高激光装置输出波前质量。     

利用双模压缩真空态实现量子态的远程传输

借助于双模压缩真空态在EPR纠缠态表象中的表示，研究了用双模压缩真空态作为量子通道 实现任意的单模和双模量子态的远程传输. 关键词： 量子隐形传态 EPR纠缠态 压缩真空态     

应力长周期光纤光栅透射谱中旁瓣的抑制

提出一种优化应力长周期光纤光栅的实验方法.利用自行研制的机械结构,通过点接触施力写制应力长周期光纤光栅,并通过压力板V-M型形变实现优化MLPFG传输谱的n维调节,有效抑制了应力长周期光纤光栅传输谱中的旁瓣.当损耗峰LP05损耗强度为9.0 dB时,边模抑制比大于8.6 dB;同时,提出并实现了一种通过空气薄层形成的等厚干涉条纹来监测光纤上力分布的光学方法,从而为传输谱的优化提供有效参量.     

高速航空遥感器的双层光学窗口设计研究

航空遥感器在高速飞行时,由于光学窗口玻璃与大气间的摩擦会产生大量热,致使光学窗口玻璃在热载荷作用下发生变形,光束通过时会发生偏折、产生光程差等问题,导致航空遥感器的光学系统成像受到影响。为了更好地抑制这种影响,介绍了双层光学窗口的结构,并结合实例验证,对比分析了同等厚度下单、双层光学窗口的光学性能。根据窗口结构给出了在满足外界作业环境下,圆形和矩形窗口厚度的确定方法及不同窗口安装方式对厚度的影响;分析了在压力和温度的影响下,窗口玻璃的变形情况,并结合载机飞行工况对双层窗口进行了热变形分析;结合实际光学系统,验证了双层窗口的光学性能,并和同等厚度的单层窗口进行对比。分析结果表明,在航空遥感器高速飞行条件下,与同等厚度的单层窗口相比,双层窗口玻璃的径向温差和轴向温差更小;针对所研究的光学系统,双层光学窗口玻璃热变形后引起的光学系统离焦量更小,并且对光学系统调制传递函数(MTF)的影响更小,空间频率在0~65 cycle/mm范围内不低于0.3,且在65 cycle/mm时MTF的相对下降量不超过10%,即双层光学窗口的引入使光学系统在不用调焦的情况下就可以满足使用要求。对双层光学窗口的分析研究也可以为其他航空光学窗口设计提供参考。