会聚更多的光子,探索更深的宇宙空间——介绍2.16米光学望远镜

 科学技术发展到今天已经使天文学家有可能去探测天体在整个电磁波谱中任何一个波段的辐射了。但是光学波段作为“传统”的波段,迄今仍然是研究天体物理的基础。其主要原因是宇宙中大量的物质以凝聚的、温度达数千度乃至数万度的恒星形式存在着。当然,这也包括了恒星集合的星系。它们的辐射主要集中于光学波段。所以,大口径的光学天文望远镜仍然是天文学研究的主要工具。对于天文学家来说望远镜的主要作用是收集光子。我们知道,收集天体光子的能力是和望远镜镜面的面积成正比的。假如某一类天体有相同的光度,那么我们能探测到这类天体的极限距离就和望远镜口径成正比(当然,这里我们忽略了天体之间存在的星际物质对光线吸收的影响)。而且,天文望远镜还将天体成像。其空间分辨率也将和望远镜口径成正比。     

测量超快现象用光学系统时间特性的研究

超快速电子成象器件的发展,使超快现象的测量成为可能,同时也提出了研究光学透镜系统时间特性的新课题。实验证明:光学系统时间畸变和时间弥散,将影响超快现象的测量。本文除了对皮秒、飞秒变象管扫描相机工作在可见光波段时透镜系统的时间特性进行研究外,还对该系统用于紫外波段时,光学透镜系统的新特点进行了分析。     

利用数值再现实现彩虹全息色差评价

为了在计算机制彩色彩虹全息图输出之前定量得到再现像的色彩保真度,提出了一种采用数值再现进行色差评价的方法.首先对彩虹全息图进行了频谱分析,得到再现参量与频谱分布之间的关系;然后采用频域滤波算法实现彩色彩虹全息图数值再现,得到再现像的相对功率谱分布;最后采用CIE1976UCS均匀颜色空间对再现像色差情况进行了计算.设计了7个色块并制作了计算机制真彩色彩虹全息图,以金卤射灯作为照明光源进行了光学再现实验,给出实验结果及分析.研究证明了采用数值再现方法实现对计算彩虹全息再现像光谱分布和色差进行计算分析是一种快速经济的方法.     

共轴PGP型光谱仪的玻璃选择与优化

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。     

太赫兹波段火焰碳黑的光学特性研究

火焰碳黑是碳氢燃料不完全燃烧的重要固体产物,对于一些污染物的生成具有重要影响,其光学特性是光学燃烧诊断的基础。利用太赫兹时域光谱技术研究了0.2～1.6 THz火焰碳黑的光学特性,通过傅里叶变换得到了碳黑的频域光谱,利用定点迭代法获得了太赫兹波段火焰碳黑的复折射率,把太赫兹波段的复折射率与热辐射波段的复折射率进行了比较,此外还对比了两种光学参数提取方法所得到的结果,结果表明,碳黑在太赫兹波段的吸收性较强,其折射率在太赫兹波段与在热辐射波段的差别不是很大,而吸收率在热辐射波段变化更大一些,两种参数提取方法得到的复折射率差别不是很大,研究结果可为太赫兹波技术应用于光学燃烧诊断提供基础性数据,扩展了光学燃烧诊断应用的范围。     

一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。     

邮票上的物理学史（64）--天体物理学:新的观测手段(续)

空间技术的发展,使得有可能建造空间观测站,到太空去观测,由此建立了空间天文学.它带来的好处是:①突破大气窗口限制,把观测波段从可见光和射电波扩展到电磁波全波段,包括红外、紫外、X射线和γ射线.我们还记得,天体物理学是伴随着光谱分析而建立起来的,依靠望远镜收集的一点星光,通过测量天体的亮度和分析天体的光谱,就建立了天体物理学,现在将观测扩展到全部电磁波段,得到的信息、发现的现象就更多了.②对地面能观测的波段,也减轻或消除了大气湍动的影响,提高了分辨本领.对光学望远镜成像主要有三个限制:衍射;大气宁静度;望远镜本身的缺陷.事实上,对一些大口径望远镜,大气湍动对成像的破坏作用远远超过了衍射限制.     

红外双波段双视场消热差光学系统设计中消波段间色差条件(方法)的研究

通过推导两个波段间由于色散特性差异导致的波段间色差,得到了描述波段间色散能力的波段间色差系数P,并结合光学系统光焦度方程、消色差方程和消热差方程,讨论了考虑材料波段间色散能力的消热差色差系统设计方法,完成了一个共光路红外双波段双视场光学系统的无热化设计。该系统F数为2、焦距为150 mm/50 mm、波长范围为3.7~4.8μm和7.7~10.3μm,共含有8片透镜,3个非球面,在-40℃~60℃温度范围内,各视场均具有较好的成像质量和冷反射特性。     

准分子激光辐照HgCdTe半导体材料的损伤机理研究

利用光学显微镜和扫描电子显微镜对248 nm准分子脉冲强激光辐照的HgCdTe晶片表面进行了观察,观察到一些与红外波段内激光辐照HgCdTe晶片时大不相同的实验现象.研究表明,红外波段内1 064nm激光辐照HgCdTe半导体材料的损伤机制主要为光热作用,而紫外波段248 nm准分子激光对HgCdTe材料的损伤机制既包含光化学作用也包含光热作用.分析了准分子激光对晶体的机械破坏现象,同时对HgCdTe材料在激光辐照区的条纹产生机理进行了探讨,发现激光驱动声波理论模型比光学模型和热导波模型能更好地解释HgCdTe晶体表面的条纹现象.     

60°对角视场的折/衍混合透视型头盔显示器

分析了离轴、大视场角透视型头盔显示器光学系统的设计方法，提出了利用衍射光学的独特性质设计了大视场、宽波段、离轴折/衍混合透视型头盔显示器光学系统.该系统具有10 mm的出瞳直径和22 mm的出瞳距离，且满足人因素要求.另外，该系统色差仅14 μm，系统口径小于46 mm，满足双目视觉要求.整个系统适合具有15 mm对角直径SVGA分辩率的彩色液晶显示器（LCD）.     

1.3～5μm宽波段红外成像光学系统设计

宽波段红外成像技术可以获取丰富的波段信息,在目标识别和频谱分析中具有独特的优势。设计了一种1.3~5μm宽波段短中波红外光学系统,该光学系统采用二次成像设计,包括7块透镜和2片反射镜,其中使用了2片硅非球面和1片硒化锌基底衍射面用以校正像差和色差。利用光学设计软件给出了系统的光学参数和二维外形结构图,并且对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现在工作波段1.3~5μm宽波段中成像,其F数为2,满足100%冷光阑效率。该系统结构紧凑,像质较好,能够实现宽波段成像要求。     

二元光学超光谱成像仪分光系统设计

二元光学元件用作透镜在原理上色差非常大,若不在设计上做出补偿,则会限制其在宽波段上使用。阐述了利用二元光学元件色散特性的新型超光谱成像仪的基本原理和应用前景。由于国内加工衍射透镜工艺条件的限制,提出利用折衍混合透镜代替衍射透镜来实现色散和成像,介绍了此透镜系统的设计方法,利用光学设计软件进行分析和评估,希望对二元光学超光谱成像仪的设计具有指导意义。     

槽栅型微结构用于红外色差校正的仿真与实验

针对传统光学元件在红外波段色差校正方面存在系统结构复杂、光能损失严重、质量大等问题,以红外波段4.8μm和10.6μm存在的色差为例,将槽栅型表面微结构用于红外波段的色差校正;根据广义斯涅尔定律及时域有限差分(FDTD)理论计算微结构表面的相位分布,采用FDTD Solution软件仿真双方柱槽栅型微结构;设计两个槽栅型微结构宽度L1=400nm、L2=950nm,槽栅高度K=500nm;采用离心式涂胶法、电子束光刻、离子刻蚀等一系列工艺技术,制备双方柱槽栅型微结构样品,分析胶膜厚度、曝光图像质量、刻蚀槽型的影响因素。结果表明:改变L1和L2的大小可实现在4.8μm和10.6μm这两种波长下分别达到0~1.5π和0~2π范围的相位调制;L1=408nm,L2=944nm,K=495.32nm,表面粗糙度为16.32nm,相关参数在误差允许范围之内;4.8μm和10.6μm这两个红外波段的峰值透过率分别为71%和64%;利用平行光位置色差测试原理测得两个红外波位置色差减小到30%,从而验证了槽栅型微结构器件对红外色差的校正作用。     

聚焦透镜棒的色差分析

本文从光线光学出发,得到了聚焦透镜棒的色差方程式,对Tl-1,Cs-1,DAPMMA和CR39-8FMA聚焦透镜棒的色差作了数值计算,给出了色差方程在特殊情况下的解。 关键词：     

“彩色分解与合成演示仪”的设计原理

在给化学、生物等系的学生上物理课,经常遇到要演示与讲解彩色合成的原理。我们过去演示彩色合成现象是用三个光源,使光通过彩色滤色片,每个光源产生一个原色,然后使它们的照明区域部分重叠,从而演示彩色合成的现象。但在这种演示方法中有一个调节红、绿、兰三原色相对强度的过程,才能保证三色混合后得到白色。这样不仅麻烦,而且不好解释,因为观察者不知道这三个滤色片的吸收特性。目前彩色电视、彩色摄影及彩色印刷等日益普及,人们对彩色合成的知识需求也很广泛。我们的物理教学应该满足这一需要。     

多色光大空间带宽积傅立叶变换透镜系统的设计

本文根据傅立叶变换透镜系统的像差要求，通过研究衍射器件的色差特性和初级像差特点，提出了多色光大空间带宽积的傅立叶变换透镜的系统结构。此系统采用无光焦度的衍射器件校正傅立叶变换主镜的球差，使系统得到最大空间带宽积；还采用谐衍射器件的设计方法，使系统可对多种相干光实现光学傅立叶变换。相对传统傅立叶变换系统而言，此衍射系统结构简单，性能好，可望在光学信息处理方面得到广泛的应用。     

激光冷却在原子束六极磁透镜技术中的应用

分析了由六极磁场构成了原子束磁透镜的原理及像差。在比较了热原子束和单色冷原子束的会聚效果后得出结论：影响它成像的主要因素是色差。应用激光冷却技术能使这一影响减小,从而使磁透镜在原子光学领域得到更广泛的应用。     

对“几何光学类科学玩具”课程化的研究——科学玩具物理教育功能开发和研究系列三

光学器具的应用在我国已有悠久历史.早在三千多年前,商代人就已知道用凹面镜聚日取火,用平面镜照物观相了.随着近代和现代科学的发展,人们对光的认识早已远远超出了几何光学的范围,光学原理和光学技术也已在工农业生产等各个领域得到了广泛应用.我们身边许多传统的、现代的玩具也包含丰富的光学知识,如皮影戏、万花筒、光纤花束、魔幻镜等等.     

超薄金属膜在太赫兹波段的光学特性研究

超薄金属膜在太赫兹波段的探测器、反射镜、波导器件以及太赫兹量子级联激光器中得到了广泛应用。超薄金属膜的光学常数不仅是这些器件设计中不可缺少的参数,而且是开发新型光电材料的一个重要依据。文章运用太赫兹差分时域光谱技术对超薄金属铬、镍和钛膜的光学特性研究,获得其在太赫兹波段的折射率和消光系数,并根据菲涅尔公式计算入射介质为高阻GaAs时,GaAs/Metal界面的反射谱,三种金属在0.3～1.5THz的波段范围内的平均反射率均超过80%。研究超薄金属膜在太赫兹波段的反射特性,为设计性能优良的太赫兹辐射源、探测器及太赫兹光学元件奠定基础。     

用于半导体激光打标机的谐衍射/折射f-theta镜

根据半导体激光器发射波长的范围和谐衍射透镜的特点,讨论了含有谐衍射光学元件的混合f-theta镜的设计.将谐衍射面型引入到半导体激光器及Nd:YAG激光器打标镜的设计中,使用普通的光学材料,使系统在0.8-1.5 μm波段内很好地校正了各种单色像差和色差,在各个分立波长上系统的光学传递函数接近或达到衍射极限.系统结构紧凑、片数少、兼容性好、具有良好的像差特性,适用于半导体激光器及Nd:YAG激光器打标系统.