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.     

数字微镜器件在会聚成像光路中的像差分析

数字微镜器件(DMD)应用于会聚成像光路中时,其表面微镜绕各自旋转轴做偏转运动,且微镜相对平面反射镜呈非连续分布,这导致了经过DMD反射后的光束轴外视场主光线与轴上视场主光线存在光程差。利用几何光学和像差理论,在基于DMD的会聚成像光路中得到了DMD面上的像高、光线入射角度、DMD像素大小及偏转角与最终光程差之间的关系。分析了影响光学系统像质的因素及补偿方法,并通过仿真模拟和实验验证了理论的正确性。该研究结果对采用DMD器件的光学系统设计和装调均具有重要意义。     

微棱镜反光膜非平面状态下微结构几何结构改变对反光特性的影响

为研究反光膜弯曲状态下的反光特性变化规律,基于体积不变原理建立弯曲角锥棱镜反射面二面角与弯曲角度之间的映射关系;利用光反射理论分析单个弯曲角锥棱镜与弯曲反光膜的反光特性,得出单个弯曲角锥棱镜出射光线轴对称分布规律和弯曲反光膜最大理论有效弯曲角为70.52°;最后采用光线追踪软件对单个弯曲角锥棱镜和弯曲反光膜仿真。结果表明:光线正入射单个弯曲角锥棱镜及弯曲反光膜的衍射图样为轴对称分布;弯曲反光膜的最大有效弯曲角随着弯曲角度的增加而减小,降幅0.7%,其值与理论值偏差较小;弯曲角度大于20°时,凸状反光膜的反射率较凹状反光膜增大20%。同时,实验测量结果证明了理论分析的正确性。     

不同湍流模型对圆射流数值模拟的讨论

采用FLUENT软件,选择Spalart-Allmaras模型,标准κ-ε模型以及RNG κ-ε模型对气体无限空间淹没湍流圆射流进行了数值模拟,并将计算结果与理论分析及实验测量方法所得结果进行比较.结果表明,三种模型都能较好反映射流规律,但计算数值与理论值和实测值有所差异,标准κ-ε模型的模拟效果最好.     

基于激光吸收光谱技术的非均匀流场气体参数测量研究

为了探索激光吸收光谱技术在非均匀流场中的应用,提出了一种新的实现非均匀流场中气体参数定量测量的方法。预知被测流场中的温度变化范围后,选择在该温度范围内具有近似线性变化特性的谱线,线性拟合该温度范围内的谱线强度,结合实验测量的吸收光谱便可以实现非均匀流场中H₂O组分权重的温度积分平均值和H₂O组分积分平均值的定量测量。两温度分布和高斯温度分布模型的仿真研究证明了该方法的有效性和可靠性。两温度分布模型中的测量结果与理论值的偏差分别小于0.82%和1.10%,而高斯温度分布模型中不同光线中的测量值与理论值的最大偏差分别小于0.9%和3.6%。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

一种螺旋型的紧凑多光程池

随着社会经济的高速发展,环境污染和生态破坏日益严重,突发性环境污染时有发生。利用光谱技术测量有害气体的浓度,可以对空气进行实时监测。在弱吸收条件下,利用多次反射池可以增加有效光程,从而提高吸收光谱的探测灵敏度。基于Herriott型多光程池的结构,提出了一种紧凑型多光程池。该光学器件由多个圆环形凹面反射镜螺旋封闭构成,入射光沿着环形镜的径向和轴向同时传播,形成有规律的放射状分布,光线在吸收池中的反射轨迹呈螺旋路径,光斑呈螺旋形分布。实现了入射光和出射光的分离,从而增加了光路的可调空间。由于吸收池中的反射次数与螺旋的圈数成正比,可以根据实际需要选择合适的光程。另外,该反射池的主体是一个圆筒,具有稳定的机械性能和一定的抗震性。利用ABCD矩阵变换分析了系统的稳定性,通过模拟发现光束通过透镜后,焦点会聚在圆筒中心附近,能使入射光斑在池中收敛,并讨论了反射次数与螺旋圈数的关系。还研究了在不同入射角条件下的旋光特性,发现线偏振光的旋转角度与入射角度成正比。当入射角相同时,旋转角度随着反射次数的增加而增大。     

微角锥阵列衍射成像数值分析

对微角锥阵列定向反射器的特性进行了理论研究和实验模拟。详细分析了光线经过角锥反射后经历的光程。研究了三角形微角锥阵列和六边形微角锥阵列这两种结构的衍射特性,讨论了角锥深度对角锥阵列回射成像质量的影响,给出了不同参数下的模拟结果。所得结果为微角锥阵列的设计以及在三维显示中的应用提供了理论基础。     

摆镜扫描傅里叶变换光谱仪光程差计算

摆镜扫描傅里叶变换光谱仪利用摆动扫描方式产生光程差,减小了因动镜倾斜带来的误差影响。从摆扫干涉光谱技术原理出发,对摆镜扫描傅里叶变换光谱仪的光程差进行理论分析,给出了光程差计算表达式,实验结果表明:该光谱仪光程差近似正比于摆动角度。分析了轴外光线因不同入射角所产生的附加光程差,为傅里叶变换光谱仪的指标确定和优化设计提供了理论依据。     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

基于QCL-TDLAS的NH3浓度测量仿真研究

可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）作为一种新型气体浓度测量技术被广泛应用于NH₃浓度测量领域。利用Matlab可视化建模仿真软件Simulink分别实现了以中远红外量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL）和近红外分布反馈式激光器（distributed feedback laser，DFB）做为光源的NH₃浓度TDLAS直接吸收测量仿真，并且分别在常温常压和烟气脱硝出口环境参数下理论分析了NH₃浓度测量灵敏度、检测限和分辨率。仿真结果表明:与传统近红外DFB光源相比，QCL-TDLAS系统理论灵敏度高约50倍，检测限与分辨率可达ppb量级，痕量NH₃浓度测量能力得到大幅度提升。仿真过程和结果为QCL-TDLAS技术在NH₃浓度测量方面的研究提供了理论依据。     

基于微型多次反射腔的TDLAS二氧化碳测量系统

海气界面CO₂测量对于海洋科学研究具有重要意义,在目前的海洋CO₂测量仪器中,基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的设备因灵敏度高、环境适应性强等特点受到关注。TDLAS系统的体积和灵敏度通常受限于多次反射腔的大小和光程。针对海洋CO₂脱气量小且灵敏度高的测量需求,自主设计了一套微型多次反射腔,用于TDLAS系统的CO₂测量。该微型多次反射腔采用两片口径为25.4 mm、焦距为50 mm的球面反射镜,以38 mm的腔长实现了253次反射,获得了约10 m的光程,封装后的样品池体积仅有90 mL。基于该微型多次反射腔搭建了一套直接吸收TDLAS的CO₂气体浓度测量系统,通过标准气体对该系统进行了测试,检测限约为26×10-6,不同浓度气体线性相关度R2为99.986%。同时还将该系统与LGR公司生产的便携式温室气体分析仪(UGGA)进行了对比测量,结果表明二者在白天CO₂浓度波动较大和夜晚CO₂浓度变化较平稳两种情况下均表现出较好的一致性,R2大于97%。实验结果证明了系统性能,下一步将优化试验装置并进行现场应用。     

Plasmonically induced reflection in metal-insulator-metal waveguides with two silver baffles coupled square ring resonator

A plasmonic waveguide coupled system that is composed of a square ring cavity and a metal–insulator–metal(MIM)waveguide with two silver baffles is proposed. The transmission and reflection properties of the proposed plasmonic system are investigated numerically using the finite element method. The normalized H_z field distributions are calculated to analyze the transmission mode in the plasmonic system. The extreme destructive interference between light mode and dark mode causes plasmonically induced reflection(PIR) window in the transmission spectrum. The PIR window is fitted using the coupled mode theory. The analytical result agrees with the simulation result approximately. In addition, the PIR window can be controlled by adjusting structural parameters and filling different dielectric into the MIM waveguide and the square ring cavity. The results provide a new approach to designing plasmonic devices.     

扇形腔旭日型磁控管结构的理论分析与数字模拟

利用场分析法推导了扇形腔旭日型磁控管的色散关系, 通过CST模拟软件验证了理论推导的正确性, 分析了扇形腔旭日型磁控管的各项结构参数对π 模截止频率和模式分隔度的影响. 研究表明: 色散关系的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到3%, π 模截止频率的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到1%; π 模截止频率f_πc与阴极半径R_c, 阳极半径R_a, 大腔张角2θ₁成正比关系, 与小腔半径R_d0, 大腔半径R_d1, 小腔张角2θ₀成反比关系, 这一定性结论与同腔型磁控管的定性结论并不完全一致; 在径向比较上, 结构参数对频率的影响由大到小依次为: 阳极半径, 大腔半径, 小腔半径和阴极半径; 在角向比较上, 大腔张角对频率的影响较大, 小腔张角对频率的影响较小; 另外, 模式分隔度γ 与大腔半径R_d1成正比关系, 与阴极半径R_c, 小腔半径R_d0, 小腔张角2θ₀成反比关系, 随阳极半径R_a或大腔张角2θ₁的增大先增大后减小. 关键词： 旭日型磁控管 扇形谐振腔 色散关系 场分析法     

Exponential decrease of thermodynamic functions of photon gas in cubic and spherical cavities with low adiabatic invariants

The Planck radiation spectrum of ideal cubic and spherical cavities with low adiabatic invariants, γ = TV ^1/3, is discrete and strongly dependent on the cavity geometry and temperature. This behavior is a consequence of the random distribution of the state weights in the cubic cavity and of the random overlapping of successive multiplet components, in the case of a spherical cavity. The total energy density of cavities with low adiabatic invariant, γ (obtained by summing up the exact contributions of the eigenvalues and their weights) no longer obeys the Stefan-Boltzmann law. The new law includes a corrective factor depending on γ, which imposes an exponential decrease of the total energy density to zero, when γ → 0. A similar behavior is demonstrated for specific heat and for all other thermodynamic functions of photon gas in cubic and spherical cavities with low adiabatic invariants. This special quantum regime, defined by the limits of principal quantum numbers or by adiabatic invariants, is shown to be similar for cubic and spherical cavities.     

基于TDLAS技术的CH4气体检测与温度补偿方法

CH₄气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸,确保安全生产至关重要。目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大。探究了基于TDLAS的CH₄气体检测系统与温度补偿方法,分析温度对CH₄气体吸收谱线的影响,通过算法补偿模型消除环境温度对CH₄气体检测的影响。依据TDLAS技术原理及相关理论,对系统发射单元、吸收池、信号接收单元、数据处理单元进行设计,搭建了基于TDLAS技术的CH₄气体浓度检测系统,实验检测了不同环境温度（10~50 ℃）时0.04%CH₄气体浓度,分析温度变化对CH₄气体在波长为1.653 μm处吸收谱线强度和半宽度的影响。为消除温度对CH₄气体检测的影响并提高补偿效果,采用粒子群优化算法（PSO）优化BP神经网络（BPNN）的最佳权值和阈值,建立CH₄气体的PSO-BP温度补偿模型,克服了BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点。结果表明：（1）基于TDLAS的CH₄气体检测浓度随环境温度升高而下降,整个实验温度内相对误差范围为4.25%~12.13%,不同环境温度下CH₄气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示;（2）CH₄气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降,与温度变化之间的关系为单调递减函数,温度对CH₄气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率,CH₄气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响;（3）BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差（MAE）分别为12.88%和1.81%,平均绝对百分比误差（MAPE）分别为2.3%和0.3%,均方根误差（RMSE）分别为15.96%和2.69%,相关系数R2分别为0.980 6和0.999 6。通过建立PSO-BP温度补偿模型,补偿效果大部分分布在±1.0%的误差范围内,MAE,MAPE,RMSE和R2等评价指标均大幅度提升,对提高TDLAS技术在矿井CH₄的精准检测具有一定的参考意义。     

基于TDLAS技术的海水中溶存CO2原位测量实验研究

海洋与大气交换的CO₂通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标,其估算方法主要依赖于海水中CO₂的测量。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）作为一种常用的气体浓度检测技术,因其具有较好的环境适应性、选择性和较高的灵敏度,亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO₂原位探测的可行性,将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合,实现了海水中溶存CO₂的原位探测。为适应水下的复杂环境,样机整体被设计为铝合金密封舱结构,具有良好的密封性、耐压性与耐腐蚀性。激光光源采用中心波数位于4 990 cm-1的DFB激光器,其波数扫描范围为4 992～4 994.5 cm-1,可覆盖CO₂在4 992.51和4 993.74 cm-1的相邻两条吸收谱线。渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X,可满足样机在深水区长期探测的目的。为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求,样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池,有效吸收光程可达8 m,内部仅需气体量24 mL,具有良好的吸收特性。在实验室对样机进行校正实验,使用样机对5种不同浓度(202.8×10-6,503×10-6,802×10-6,1 006×10-6和2 019×10-6)的标准CO₂气体进行测量,测量值与实际值的线性相关度R2高达99.94%,最大相对误差小于8%,减小了样机误差对测量值的影响。为评估样机长时间工作的稳定性,使用样机对浓度为802×10-6的标准CO₂气体进行了30 min的连续测量,平均测量浓度为802.6×10-6,其波动范围仅为10×10-6,样机精度约为0.5%,可满足水中溶存气体探测的要求。选取水深3米的近海码头进行试验,成功获得了24 h水中CO₂的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果,验证了样机水下工作的能力与稳定性。通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验,成功获取溶存CO₂的典型吸收光谱,证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。     

Finite element analysis of ionic liquid gel soft actuator

A new type of soft actuator material-ionic liquid gel(ILG),which consists of HEMA,BMIMBF4,and TiO_2,can be transformed into gel state under the irradiation of ultraviolet(UV)light.In this paper,Mooney–Rivlin hyperelastic model of finite element method is proposed for the first time to study the properties of the ILG.It has been proved that the content of TiO_2 has a great influence on the properties of the gel,and Young’s modulus of the gel increases with the increase of its content,despite of reduced tensile deformation.The results in this work show that when the TiO_2 content is 1.0 wt%,a large tensile deformation and a strong Young’s modulus can be obtained to be 325%and 7.8 k Pa,respectively.The material parameters of ILG with TiO_2content values of 0.2 wt%,0.5 wt%,1.0 wt%,and 1.5 wt%are obtained,respectively,through uniaxial tensile tests,including C_(10),C_(01),C_(20),C_(11),C_(02),C_(30),C_(21),C_(12),and C_(03)elements.In this paper,the large-scaled general finite element software ANSYS is used to simulate and analyze the ILG,which is based on SOLID186 element and nonlinear hyperelastic Mooney–Rivlin model.The finite element simulation analysis based stress-strain curves are almost consistent with the experimental stress–strain curves,and hence the finite element analysis of ILG is feasible and credible.This work presents a new direction for studying the performance of soft actuator for the ILG,and also contributes to the design of soft robot actuator.     

钢板-空气背衬上含空腔粘弹性材料层的声反射特性

本文研究声波从水中入射到粘弹性材料层-钢板-空气上的反射特性，运用分层介质中的波动理论研究粘弹性层均匀情况的声特性，运用有限元方法研究粘弹性层含空气腔结构情况的声特性。结果表明，改变粘弹性材料消声特性需要综合调整材料的弹性参数；粘弹性层内的空腔结构对声特性产生很大影响，改变其谐振特性和反射系数的收敛特性。文中以含圆锥腔、圆台等复合腔的结构粘弹性层为例，计算了其反射系数的频响特性、谐振模态，并分析了结构的影响。     

Wave reflections from duct terminations

The reflection coefficients and inertial end corrections of several duct terminations, including finite length duct extensions perpendicular to an infinite wall, as well as at a number of angles, curved interface surfaces, and annular cavities, are determined and analyzed in the absence of flow by employing the boundary element method. Predictions for the classical unflanged and flanged circular ducts show good agreement with analytical and computational results available in the literature. The predictions for curved interface surfaces (bellmouth or horn) are also consistent with the available experimental data. In view of its high reflection coefficient, the duct termination with an annular cavity may be suggested for the suppression of noise radiation in a specific frequency band or for an effective wave reflection from the termination.