等截面反射镜椭圆压弯机构变像距压弯

针对新设计的等截面反射镜椭圆压弯机构在固定物距(即反射镜在光路中位置不变)的情况下,研究了实现大范围像距调整(即样品位置发生改变)时镜面面形误差等问题。通过理论分析并借助有限元分析软件计算等截面平面镜压弯至不同(反射点处像距不同)椭圆柱面时的理论斜率误差,最后对椭圆压弯机构样机进行了实际压弯测试。实验结果与计算分析均表明:保持物距、掠入射角不变,压弯镜面与理想椭圆柱面之间的斜率误差会随着像距的减小而增大,并且像距越小,镜面斜率误差的增加速度越大。实验测得在反射镜面初始斜率误差为0.397μrad的情况下,全部像距范围(21.5～3.8 m)内压弯镜面的实际斜率误差在0.402～0.560μrad之间,重复精度为0.051μrad,均满足上海光源光束线的设计要求。本文研究证明了使用等截面反射镜压弯机构进行椭圆柱面压弯可以实现聚焦镜工作像距在大范围内的连续调节。     

同步辐射聚焦镜压弯机构设计与面形误差分析

基于同步辐射聚焦镜的原理，对压弯机构进行设计，对压弯理论进行介绍, 并推导了压弯镜理论面形的计算过程；根据设计理论建立了基于柔性铰链的压弯机构的模型，并对压弯机构的参数进行计算，有效长度为84.9 mm，最大力矩为259.8×10-3 N·m。设计并校核了压弯机构，满足了压弯机构在材料力学上的要求；最后针对压弯镜存在的理论面型误差，通过对压弯镜进行有限元仿真得到模拟值，与理论值进行对比，分析了不同的因素对面型误差的影响。     

上海同步辐射装置波荡器光源空间相干性的研究

利用高斯-谢尔光源模型理论与交叉谱密度函数在自由空间传输的规律, 研究了上海同步辐射装置波荡器光源(BL15U)的空间相干性; 讨论了预聚焦镜、单色器对光束空间相干性的影响;实验测量了单色光狭缝S2处光束的横向相干长度(Z方向). 理论计算表明, S2处光束的横向相干长度为66.5 μm,但实验测量结果为27 μm. 理论与实验相差较大的原因是由于S2上游光学元件预聚焦镜或单色器周期性高频振动导致了光束空间相干性的退化.实验结果表明,上海同步辐射装置波荡器光源已有较强的空间相干性, 可以满足微米尺度的硬X射线相干性实验.     

光学镜头、光学零部件

介绍了用于NSRL的X射线衍射和散射光束线中环面聚焦镜的成像原理和基本结构.分析计算了各种像差和面形精度对成像质量的影响,重点描述了镜子因受力弯曲在子午方向的曲率变化与理论值的误差以及反射表面受同步辐射光照射而产生的热载变形,进而求得实验样品上束斑成像的高度。最后用CCD探测实际光斑的尺寸.     

自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析

反射镜是自由电子激光光束线中的重要光学元件,反射镜自重引起的面形误差会严重影响光束线的成像质量。为减小自重引起的面形误差,基于Bessel点理论提出了重力补偿方案,并设计了无应力夹持装置,利用有限元软件对该装置进行仿真分析。以尺寸为440 mm×50 mm×50 mm的反射镜为例进行分析,传统支撑方式下反射镜下表面面形误差为1.647μrad,采用本文提出的夹持方案后面形误差降至0.085 7μrad,优于工程指标0.1μrad。为防止反射镜在工作模式切换时发生窜动,可对反射镜添加不超过2 N的微小夹持力,此时反射镜的面形误差为0.093 9μrad。此外,还对装置进行了动力学分析,结果显示:该设计方案可有效防止装置存在较低的固有频率,在使用过程中不会产生共振现象,满足光束线的使用需求。     

小接收角同步辐射红外光束线的优化设计

对同步辐射红外光束线中由两个相同光学参数的超环面镜组成的对称式光学系统的像差和超环面镜缩放比之间的关系进行分析。计算结果表明,使用3倍压缩比的超环面镜可将上海光源同步辐射红外光束线站BL06B的500μm波长的红外光在金刚石化学蒸汽沉积(CVD)窗上的透射率优化到50%左右;光学设计软件Zemax光线追迹结果表明,该对称式结构的像差不影响中红外光束的聚集性能。Synchrotron Radiation Workshop模拟计算结果表明,使用3倍压缩比的超环面镜和直径15mm的金刚石CVD窗获得的光子通量与使用1倍压缩比的超环面镜和直径45mm的金刚石CVD窗获得的光子通量相当,但前者的碳峰吸收约为后者的37%。由两个3倍压缩比的超环面镜组成的对称式光学结构在兼顾近中红外性能的同时,优化了同步辐射红外光束线在远红外波段的性能。     

EP-FXT聚焦镜真实表面状态的性能模拟方法

后随X射线望远镜(follow-up X-ray telescope, FXT)是爱因斯坦探针卫星的主要载荷之一.为了获取高信噪比的数据,实现对观测天体的高精度定位, FXT使用Wolter-Ⅰ型X射线聚焦光学系统,该系统一直是X射线空间天文观测中的重要设备.根据Wolter-Ⅰ型的聚焦原理,结合实际的加工特点,利用蒙特卡罗模拟算法对影响光学成像质量的几个关键参量,如表面粗糙度、面形误差进行了模拟,结合模拟结果对各参量的作用效果进行了分析.之后利用PANTER实验室提供的聚焦镜性能测试结果对模拟方法进行了验证,同时对面形误差参量进行了限制.最终聚焦镜结构热控件半能量宽度(half energy width, HEW)模拟与实测结果基本一致.该模拟过程可以很有效地应用于聚焦镜加工工艺的摸索,为FXT的聚焦镜测试和标定工作提供参考.结合实测标定数据,该模拟方法生成的有效面积、渐晕和点扩散函数等可用于在轨观测标定数据库.     

根据激光束横截面能量分布的变化测量大功率激光聚焦镜的像差

提出了一种实时测量大功率激光照射下聚焦镜产生的像差的新方法。该方法利用混合模激光束在传输过程中光束横截面能量分布的变化来进行测量。首先通过计算混合模激光束的光学参数来模拟其在传输过程中的光束横截面能量分布的变化,然后计算其通过聚焦镜后在焦点位置的光束横截面能量分布,通过对比计算所得的光束横截面能量分布和实际测量的焦点位置的光束横截面能量分布的差异,得到聚焦镜的像差。     

高准确度光束偏转装置的设计与分析

基于矢量折射定理推导了光束经过正交双棱镜后的偏转表达式.给出了装置的主要设计参量；用数值模拟的方法分析了主要误差项，求出了总误差和实际准确度指标.结果表明，光束在水平张角及垂直张角500 μrad内可实现准确度优于0.8 μrad的偏转，偏离准确度主要受随机误差影响；反映到棱镜转角上的总误差为12.72 arcsec,引起的光束偏离误差为0.365 μrad，大于系统读数分辨率0.0387 μrad,且小于光束偏离准确度指标0.8μrad.     

同步辐射压弯镜重力补偿方法

介绍了同步辐射压弯镜重力引起的面型斜率误差及评价标准。根据梁的弯曲理论,提出了力矩加多点力补偿重力的方法,以上海光源XAFS光束线(BL14W)中的压弯镜为例,计算出力矩加两点力、力矩加三点和力矩加四点力补偿的最小斜率均方根误差分别为0.092,0.041,0.022 μrad。补偿结果的对比表明,当镜子两端有力矩补偿时,各补偿力相应减小,力矩加两点力、力矩加三点力和力矩加四点力补偿的面型斜率误差分别为没有力矩补偿时的52%,61%,68%。力矩加多点力补偿重力的方法明显优于多点力补偿重力的方法。     

玻璃基底Wolter-1型X射线聚焦镜研制及测试

Wolter-1型X射线聚焦镜可将掠入射的X射线反射至焦平面处,具有较强的成像探测能力,在天文探测等领域中具有重要作用.通过建立几何模型对反射镜面及反射光线方程进行理论计算,推导出了适用于以玻璃为基底材料的聚焦镜设计参数方程,可用于对此类聚焦镜进行理论设计,依据理论设计,采用具有极高表面光洁度的超薄肖特D263T玻璃经热弯成型后作为反射镜基底,在反射镜表面制备金属铱薄膜作为反射膜研制了Wolter-1型反射镜组,并使用激光三维扫描仪对所研制的聚焦镜片面型进行了测试.测试结果显示,实际镜片面型与理想镜片面型公差在10 μm以内的测试点占总测试点的50%.通过搭建可见光条件下的焦斑测试系统,使用图像采集相机采集焦斑的灰度图像,通过图像分析软件分析计算该灰度图像的灰度分布来定量分析焦斑的能量分布情况,从而确定焦斑特性参数.实验结果显示：研制出的聚焦镜片焦距为1.6 m,焦斑的半能量包围直径为0.33 mm,对应角分辨率为0.7角分.     

同步辐射中双压电片反射镜的研究现状

反射镜是同步辐射光束线中应用广泛的光学元件之一,双压电片反射镜由于具有结构简单、面形能动以及自适应可调等优点,逐渐引起同步辐射界的重视.本文综述了同步辐射中双压电片反射镜的研究现状.主要讨论了双压电片反射镜的工作原理和研究概况,包括在几个大型同步辐射装置中的结构特点、制备技术及面形校正结果等;简要介绍了双压电片反射镜面形校正时所采用的反射波前探测技术和反馈控制算法;最后总结了其发展中存在的关键问题,并展望了其未来的发展方向.     

Synchrotron X‐ray tests of an L‐shaped laterally graded multilayer mirror for the analyzer system of the ultra‐high‐resolution IXS spectrometer at NSLS‐II

Characterization and testing of an L‐shaped laterally graded multilayer mirror are presented. This mirror is designed as a two‐dimensional collimating optics for the analyzer system of the ultra‐high‐resolution inelastic X‐ray scattering (IXS) spectrometer at National Synchrotron Light Source II (NSLS‐II). The characterization includes point‐to‐point reflectivity measurements, lattice parameter determination and mirror metrology (figure, slope error and roughness). The synchrotron X‐ray test of the mirror was carried out reversely as a focusing device. The results show that the L‐shaped laterally graded multilayer mirror is suitable to be used, with high efficiency, for the analyzer system of the IXS spectrometer at NSLS‐II.     

空间相机中主镜及其支撑方案设计与分析方法

叙述了现代空间相机对主镜的特殊要求。总结了主镜对空间相机性能具有重要影响的主要因素,即形状、材料、轻量化形式、支撑方式、微重力的影响和热尺寸稳定性等,并说明了在设计时应考虑的问题。重点论述了在对主镜进行分析时的多学科集成仿真方法、一般分析过程和迭代仿真分析策略,以及有限元法的工程分析的误差和光学元件面形评价方法。实践证明,该研究方法在空间相机设计与制造中是切实可行的。     

微加工薄膜变形镜特性分析

 借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数，分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究，建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型。分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力，指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差，而不能拟合高级像差。     

超高速摄影仪转镜谐响应的数值与试验分析

 对超高速摄影仪转镜进行了谐响应数值分析,得到转镜在正弦周期激励下的幅频响应曲线、应力等值线图。转镜的幅频响应曲线在354 Hz处出现峰值,一阶扭转和二阶弯曲共振带出现了叠加,在1 600 Hz处曲线有细微的波动,转镜在一阶弯曲共振点处的幅频曲线幅值远大于其在1 600 Hz处的幅值,共振点处的等效应力是其匀速运转时的358倍。在转镜试验测试系统上测得的转镜幅频曲线在297 Hz 和355 Hz处均出现了峰值,数值解和实验结果能够很好地吻合。这说明转镜的一阶弯曲固有频率共振带是转镜的危险速度带,一阶弯曲是转镜出现动力学破坏的主要原因。仿真结果与实验结果的一致性表明,利用数值方法预测转镜的设计能否成功克服受迫振动引起的破坏是有效的。     

用于超低温环境的轻质反射镜制造技术

以椭圆形平面反射镜实例为研究对象,介绍了轻质反射镜材料的选择以及反射镜在真空超低温环境中的应用。分析了各种轻量化孔的特点,设计了一种反射镜结构;在吊带支撑方式下,建立整体结构的有限元模型,对由于镜体自重及超低温环境引起的镜面变形进行了有限元分析。由数控系统在图形方式下控制实际轻量化加工,加工后的反射镜轻量化率达到33％;采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹;运用环形抛光机结合局部修磨进行光学抛光加工,抛光后面形精度达到0．022A（均方根,λ=633nm）;在实验室进行小范围温度拉偏实验,实验结果表明,面形精度变化量为0．03nm。     

大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法

介绍了一种大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法,该方法是一种理论性强、效率高的新型轻量化优化设计方法。采用变密度法建立连续体结构拓扑优化数学模型,利用OPTISTRUCT优化软件,以主反射镜光轴垂直时在自重作用下的镜面变形与第一阶自然频率作为约束,将主反射镜体积最小作为目标函数进行了连续体拓扑优化。依据优化的拓扑结构形式,结合结构力学及灵敏度分析得到了满足镜面面型、结构刚度及轻量化率要求的最佳主反射镜轻量化结构。     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。