光学综合孔径望远镜中子望远镜平行性和光程差调整的研究

光干涉技术与天文望远镜技术的结合是提高天文观测分辨率的一种有效方法.采用望远镜阵代替单个大口径望远镜来集光观测,利用最大基线的概念来等效传统光学望远镜的最大口径,很大程度上解决了单个望远镜集光能力不足、角分辨率不高的问题.然而对于光干涉来说,在应用中,只有满足:两束光的相位差δ必须相对稳定、存在相互平行的振动分量、频率相同、两光波在相遇点所产生振动的振幅相差不悬殊和两光波在相遇点的光程差(OPD)应在相干长度之内等这些条件时才能部分相干.光学综合孔径(OAS)望远镜产生干涉条纹的前提条件是子望远镜之间必须两两相干.推导了双光束光干涉的要求,并从双光束干涉的平行性和光程差的要求出发,研究并得出光学综合孔径望远镜子望远镜的平行性和光程差的要求.结合双光束干涉的恒星光干涉仪的光束平行性和光程差的调整方案,研究并得到了光学综合孔径望远镜子望远镜的平行性和光程差调整的光学方案,并讨论了该系统的改进措施.     

光学综合孔径望远镜成像分析及计算机仿真

阐述了光学综合孔径(OSA)望远镜成像原理以及综合孔径望远镜的几种实现形式；采用快速傅里叶变换(FFT)算法得到了任意子孔径综合模式下的点扩展函数(PSF)和光学传递函数(OTF)分布；从子孔径结构排列、共相位、图像恢复几个方面论述了光学综合孔径的成像特征。初步分析了稀疏率、填充因子、“实际截止频率”等因素对光学综合孔径望远镜成像的影响。分析和仿真结果表明：光学综合孔径通过相干成像不但可以突破传统单孔径系统的口径局限获得极高的成像分辨率，而且对于实现空间光学遥感系统轻量化和模块化都具有重要意义。     

菲涅耳望远镜全孔径合成成像激光雷达:原理

提出了一种菲涅耳望远镜全孔径合成成像激光雷达的概念,原理基于对目标进行同轴同心相位二次项偏振正交双光束扫描的光电数据收集以及光学和数字计算空间复相位解调的图像重构.具有两种工作模式即目标移动而光束一维扫描和目标静止而光束二维扫描,能够实现目标超光学分辨率极限的二维成像并具有三维成像能力.由于实施了空间对时间的传输信号转...     

光学综合孔径成像中的傅里叶相位研究

傅里叶相位是光学综合孔径成像的重要信息,观测目标的傅里叶相位包含于干涉条纹中。从像平面干涉条纹形成原理出发,推导出大气扰动、星光方向与基线方向不垂直和望远镜系统机械误差等因素是影响干涉条纹初始相位的主要因素。利用条纹原点值和峰值位移从条纹中提取初始相位,采用闭合相位法从条纹初始相位中去除其它因素的影响,从而最终获取目标傅里叶相位：结合计算机模拟对噪声给条纹峰值位置的影响进行分析,模拟结果表明在频域中对条纹能量谱进行阈值处理有较好的去噪效果。最后结合目标重构迭代法阐述了闭合相位在像重构中的作用。     

多光束傅里叶望远镜的关键技术

为了实现对远距离暗弱快速运动目标的高分辨率成像,基于多光束傅里叶望远镜的组成,对光学分系统、机械分系统、电子分系统和软件分系统涉及的关键技术进行了分析和讨论。针对光学分系统主要分析了激光光源、相位延迟器,声光移频器和光电倍增管所涉及的主要技术指标;机械分系统讨论了发射望远镜指示和跟踪精度、发射光束的快速切换和主镜的拼接支撑结构等;电子分系统介绍了同步控制、电磁屏蔽和配电等需要注意的问题;而针对软件分系统则讨论了光束快速切换、位置和角度变化的同步控制和图像恢复等。对上述关键技术的分析和讨论为多光束傅里叶望远镜系统的研制提供了参考。     

菲索式合成孔径望远镜光学系统设计

设计了菲索式合成孔径望远镜光学系统,用3个小口径子孔径合成大口径以获得等效大口径的分辨率。首先,兼顾空间频率u-v覆盖和结构简单化,选择子孔径排列方式为Golay-3阵列,填充因子F=0.44。然后,依据光学系统结构特性,将光学系统分成子孔径、光束控制器和光束组合器,分别进行光学设计。无焦式子孔径采用后接双胶合消色差透镜的卡塞格林结构,孔径为300 mm,视场为0.2°,角放大率为10。光束组合器为五片式结构,采用高折射率玻璃和特殊部分色散玻璃,焦距为600 mm,F/#=6,视场为2°。分析总系统点扩散函数和调制传递函数显示：总系统等效口径为子孔径口径的1.89倍,总系统角分辨率为0.24″。     

激光导星共孔径发射接收的偏振分光效率研究

在地平式折轴望远镜上开展自适应光学瑞利激光导星实验,研究了信标光束同孔径发射和接收偏振分光技术。基于镜面膜层复振幅反射特性,采用琼斯矩阵描述方法,建立了偏振分光物理模型,研究了共孔径发射和接收偏振耦合分光的效率问题,并与实验结果进行了比较。结果表明,由于镜面膜层对s光和p光的相位延迟差异,系统偏振分光效率随着望远镜的方位角旋转会发生周期性的变化,同时也受望远镜天顶角变化的影响。在研究光路反射镜相位延迟对往返分光效率影响规律的基础上,提出了提高地平式折轴望远镜激光导星共孔径发射和接收偏振分光效率,消除受望远镜方位角和天顶角变化影响的技术途径。     

傅里叶望远镜中激光频移误差对成像质量影响的分析

傅里叶望远镜成像技术,综合了激光主动成像技术、光学合成孔径技术和相位闭合技术是一种新的高分辨率成像探测技术。激光频移的效果是影响傅里叶望远镜成像质量的重要因素,特别是使用大功率、宽光束和宽调制带宽激光的系统。构建了不同的误差模型,推导了频移误差在系统中的传递函数,利用仿真实验分析其对系统成像的影响,得到了对应的误差影响分析。结果表明,频移精度和稳定度严重影响到系统的成像效果,部分情况下含有误差的反演图像与理论反演图像的施特雷尔值已降到0.2,因此合理的设计和选择声光频移器是改善系统成像的一个关键因素。     

光学综合孔径望远镜的UV覆盖和孔径排列的研究

介绍了光学综合孑L径干涉成像技术中的UV覆盖技术的概念、即时UV覆盖和非即时UV覆盖的两种情况,重点研究了光学综合孔径望远镜的UV覆盖情况,以一个实际观测目标为例研究了增加用四个小望远镜组成的光学综合孔径望远镜的UV覆盖的方法,并对增加UV覆盖的方法进行了优化,提出了用旋转孔径的办法来增加UV覆盖和UV覆盖的优化方法,给出了优化了的光学综合孔径望远镜的子孔径排列的方案,得到了Uv覆盖优化的结果,并给出了一个综合孔径望远镜UV覆盖与孔径排列优化的仿真实例.     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。     

Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array

A diffractive optical element (DOE) is used as a beam combiner for an actively phase-locked array of fiber lasers. Use of a DOE eliminates the far-field sidelobes and the accompanying loss of beam quality typically observed in tiled coherent laser arrays. Using this technique, we demonstrated coherent combination of five fiber lasers with 91% efficiency and M2=1.04. Combination efficiency and phase locking is robust even with large amplitude and phase fluctuations on the input laser array elements. Calculations and power handling measurements suggest that this approach can scale to both high channel counts and high powers.     

Analysis of telescope array receivers for deep-space inter-planetary optical communication link between Earth and Mars

Optical communication technology shows promising prospects to fulfill the large bandwidth communication requirements of future deep-space exploration missions that are launched by NASA and various other international space agencies. At Earth, a telescope with a large aperture diameter is required to capture very weak optical signals that are transmitted from distant planets and to support large bandwidth communication link. A single large telescope has the limitations of cost, single point failure in case of malfunction, difficulty in manufacturing high quality optics, maintenance, and trouble in providing communication operations when transmitting spacecraft is close to the Sun. An array of relatively smaller-sized telescopes electrically connected to form an aggregate aperture area equivalent to a single large telescope is a viable alternative to a monolithic gigantic aperture. In this paper, we present the design concept and analysis of telescope array receivers for an optical communication link between Earth and Mars. Pulse-position modulation (PPM) is used at the transmitter end and photon-counting detectors along with the direct-detection technique are employed at each telescope element in the array. We also present the optimization of various system parameters, such as detector size (i.e., receiver field of view), PPM slot width, and the PPM order M, to mitigate the atmospheric turbulence and background noise effects, and to maximize the communication system performance. The performance of different array architectures is evaluated through analytical techniques and Monte-Carlo simulations for a broad range of operational scenarios, such as, Earth-Mars conjunction, Earth-Mars opposition, and different background and turbulence conditions. It is shown that the performance of the telescope array-based receiver is equivalent to a single large telescope; and as compared to current RF technology, telescope array-based optical receivers can provide several orders of magnitude greater data rates for deep-space communication with Mars.     

Improving the power coupling efficiency in a relay mirror system using a multiple laser array

We propose a new relay mirror system configuration in which the transmitting telescope is composed of an array of tightly tiled sub-apertures. By controlling the piston-type optical phase in each aperture using the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm, it is shown that the intensity distribution can be shaped at the receiving plane and that the power coupling efficiency can be improved.     

激光本振红外光谱干涉成像及其艇载天文应用展望(特邀)

本文分析了红外干涉成像现状和难点,介绍了激光本振红外相干探测的原理,阐述了基于电子学的红外光谱细分和干涉成像原理,讨论了激光本振红外阵列探测器形式。激光本振和相干探测器的设置,可保证两个望远镜的红外信号相位的正确传递,在电子学实施窄带滤波形成的窄带红外信号有利于实现长基线干涉成像。在此基础上,类似微波综合孔径射电望远镜,通过不同空间位置的多个较小孔径,组合形成一个大的光学口径,以红外光谱“射电”望远镜形式实现高分辨率天文成像,可大幅降低红外成像系统的复杂度和体积重量。介绍了平流层飞艇平台的特点,该平台为长基线大衍射口径望远镜的安装提供了有利条件,且可大幅减少大气对天文观测的影响,有望成为天文观测的新型平台。给出了10 m基线、2 m衍射口径红外光谱干涉成像望远镜的布设方案,分析了其探测和成像性能,讨论了关键技术及其可能的技术途径。分析表明,基于平流层飞艇平台,3个2 m衍射口径望远镜的组合在10 m基线下可等效实现口径10 m望远镜的红外天文观测能力。     

卡塞格林望远系统与激光束参数匹配

 在激光工程系统中,把卡塞格林望远系统等效为一个扩束器和环形光阑的组合形式,研究了激光束的光腰半径与卡塞格林望远系统的参数匹配问题。推导出光束扩束后通过环形光阑衍射的场分布解析表达式,并由此数值计算了由环形光阑引起的能量损失,以及光束扩束后光腰半径与环形光阑外径的比值K对Strehl比的影响。结果表明,在卡塞格林望远系统参数确定的条件下,存在最佳比值K,使损失能量最小,并可以获得较高的Strehl比,得到最大的峰值光强。     

一种新型的二元光学器件——多位相光束分束器的制作

本文报道了用于多光束分束器的反射式16位相值二元光学器件的制作。该二元光学器件把一束光束分成5×5光束阵列。测量的衍射效率为76.16%,接近理论设计值79.68%。该二元光学器件的有效孔径为10mm×10mm。     

高分辨率光谱仪与极大望远镜耦合问题分析

介绍国际上地面极大光学/红外望远镜的研制概况,分析高分辨率光谱仪与极大口径望远镜耦合中的难题,结果表明极大口径望远镜需要超大面积阶梯光栅和超快焦比相机。根据光谱仪与望远镜的匹配关系,30 m级极大口径望远镜的高分辨率光谱仪的准直光束将大于70 cm,主色散阶梯光栅的面积大于2 m2,照相机的焦比F/0.5,按照目前的制造技术无法提供上述光栅和相机,因此,提出高分辨率光谱仪与极大望远镜进行耦合的技术。针对耦合问题给出了相应解决方案,即采用像切分器、拼接光栅以及白瞳设计等技术将是极大口径望远镜与高分辨率光谱仪耦合的主要解决方案。     

微透镜阵列光学相控阵扫描技术研究进展

光学相控阵光束扫描技术在激光雷达、空间光通信和光开关等领域拥有巨大的应用潜力。微透镜阵列光学相控阵可以通过微透镜阵列间μm量级的相对位移同时对多个出射光束的二维倾斜相位进行调制,从而实现大角度二维光束扫描,具有出射口径大、结构简单、体积小、微惯性、多功能等优点。首先介绍了微透镜阵列光学相控阵的扫描原理,之后对微透镜阵列光学相控阵国内外的发展现状、应用和现阶段存在的问题进行了阐述,最后对微透镜阵列光学相控阵的发展趋势进行了展望。     

Shaping the beam profile of a partially coherent beam by a phase aperture

By use of a tensor method, an analytical formula for a partially coherent Gaussian Schell-model (GSM) beam truncated by a circular phase aperture propagating through a paraxial ABCD optical system is derived. The propagation properties of a GSM beam truncated by a circular phase aperture in free space are studied numerically. It is found that the circular phase aperture can be used to shape the beam profile of a GSM beam and generate partially coherent dark hollow or flat-topped beam, which is useful in many applications, e.g., optical trapping, free-space optical communication, and material thermal processing. The propagation factor of a GSM beam truncated by a circular phase aperture is also analyzed.