基于经验模态分解-Wigner分布的光学元件中频误差识别

对于大尺寸高精密光学元件,不仅要对光学元件表面低频面形精度和高频粗糙度进行控制,还需要严格限制中频误差,以保证其使用性能和稳定性。为了确定光学元件的不合格区域并指导其返修,引入经验模态分解(EMD)和Wigner分布(WVD)函数方法,通过理论分析确定该方法与功率谱密度函数间的关系,实现对光学元件表面中频误差的辨识与定位。实验结果表明:EMD-WVD方法不仅可以识别分布在实验光学元件表面15~27mm空间频率为0.1mm-1的中频误差,还可以减小多分量信号所引起的空间频率为1.0~1.5mm-1的交叉项干扰,提高中频误差辨识的准确率。     

降低表面波纹误差的加工轨迹优化方法

提出了一种降低光学元件表面波纹误差的加工方法。从中高频误差的产生过程出发,在常用的光栅型加工轨迹的步进方向上叠加一个随机扰动,通过破坏轨迹的规则性分布,有效抑制了特定频率的中频误差。利用信息熵原理,对生成的随机轨迹进行分析,得出其影响波纹误差抑制能力的关键因素——扰动幅值。在此基础上,对生成的随机扰动型轨迹进行平滑和改进,从而降低其对机床动态性能的要求,通过仿真模拟,验证了优化后的轨迹同样能够有效地降低光学元件表面波纹误差。     

400 mm口径平面窗口元件中频误差控制技术

针对高功率激光装置所需的大口径光学元件,进行了小工具数控抛光中频误差控制工艺研究。对数控加工过程中卷积效应对中频误差的影响进行分析,并建立了残余误差分析模型,对卷积效应所引入的残余误差进行定量分析。利用该模型对中频误差修正工艺参数进行了仿真分析,并进行了修正工艺参数实验验证,确定了全面匀滑最优化参数。在最优化工艺参数的基础上,针对大口径光学元件开展了数控抛光中频误差控制工艺实验验证,使400 mm口径平面窗口元件加工精度达到透射波前PV值为0.27,透射波前PSD1 RMS值为1.67 nm。该实验结果表明,通过400 mm口径平面窗口元件的中频PSD1控制技术研究,使窗口元件能够达到高功率激光装置对中频PSD1的指标要求。     

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明:磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。1     

多磨头数控抛光对大口径离轴抛物面镜中频误差的抑制

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响,针对该问题,提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术,用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析,并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟,对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明:采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差,加工的两件?460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%,达到2.835 nm,并且PV小于0.16λ(632.8 nm),RMS小于0.02λ。     

采用非均匀有理B样条曲面延展光学元件面形误差

在离子束抛光工艺中,为了提高驻留时间求解算法在工件边缘处的求解精度,通常需要对原始面形误差数据进行边缘虚拟延展。要求原始面形误差数据与虚拟延展面光滑拼接,并在延展区域具有可控的不确定性。非均匀有理B样条(NURBS)曲面常用在机械制造领域对复杂形状物体进行三维建模。引入非均匀有理B样条曲面并结合泽尼克(Zernike)多项式拟合对一典型的圆形光学元件面形误差自由曲面数据进行延展。通过对典型面形误差曲面延展前后的等效功率谱密度曲线分析可以看出,延展后在面形误差频率大于0.05mm-1时其面形误差改善量均大于70%;将该典型延展面应用于特定驻留时间求解算法中,使得预测加工精度的均方根值由1.18nm改善至0.19nm。这表明,采用非均匀有理B样条曲面延展光学元件面形误差能够获得光滑拼接的虚拟延展曲面,并能大大改善离子束抛光工艺中驻留时间算法的求解精度。     

环形激光熔覆加工头的研制及聚焦光斑优化

研制了一种用于光内同轴送粉方式的激光熔覆加工头。理想状态下,加工头聚焦光斑呈现完整的环形,但在实际装配过程中,元件的加工公差和装配误差的积累会导致聚焦光斑产生形态错位和能量分布不均匀等现象。为改善上述现象,通过光学仿真的手段对加工头内部关键光学元件的位置和角度等参数进行了模拟,并以模拟结果为指导,在尽可能不引入新误差的前提下,对加工头内部光学元件的位置和角度进行了微调,测试结果表明,优化后的聚焦光斑形态对称,能量分布均匀。     

锥体棱镜的加工与检验

锥体棱镜是一种重要的逆向反射器 ,它广泛应用于远距离测距等方面。同时也是一种精度高、加工难度大的光学元件。介绍了锥体棱镜的两种加工工艺及其特点 ;着重叙述了立方体切角的方法 ,即借助于 T型抛光定位夹具和切角定位夹具加工锥体棱镜的工艺过程。同时给出了当用干涉法测量锥体棱镜时 ,干涉图的判别原则和棱镜合格时干涉图的特点。该方法对综合角度误差≤ 3″的锥体棱镜来说可获得很高的合格率。     

先进光学制造技术进展

针对高功率固体激光发展的需求,总结了先进光学制造技术方面的研究进展。采用超精密制造技术提高了非球面等元件的加工精度和制造效率,并为解决低缺陷加工提供了技术途径。围绕面形误差控制,特别是中频波前误差控制,发展了多种确定性抛光技术。针对熔石英元件建立了去除-抑制模型及新的抛光技术,有效抑制了亚表面缺陷的产生。     

基于多视场星点椭圆率的望远镜主动准直方法

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化,该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出。针对此问题,本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法,通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像质的目的。该方法基于多视场星点椭圆率,利用粒子群优化算法迭代求解望远镜光学元件失调量,从而校正由光学元件失调引起的低阶像差。利用1.6 m多通道测光巡天望远镜光学系统进行模拟仿真,求解副镜失调量残余误差小于1%,在系统设计公差范围以内。利用南极巡天望远镜AST3-3模拟及实验验证,表明该方法可高精度求解望远镜光学元件的失调误差。     

弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究

提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据. 关键词： 偏振调制 三弹光调制器 差频 成像光谱偏振仪     

Modulation transfer function measurement method for fiber optic imaging bundles

In this study a method is presented for measuring the modulation transfer function of line-array fiber optic image bundles. The measurements are performed using a designed experimental setup containing a tunable V-shape spatial filter, using three frequencies at one third of Nyquist frequency, two thirds of Nyquist frequency, and Nyquist frequency, respectively. Comparing the measured MTF curve of the fiber optic image bundles with the theoretically computed MTF curve, we have obtained good agreement.     

Effects of Temporal Frequency and Contrast on Spatial Frequency Characteristics for Disparity Threshold

We measured disparity threshold for identifying the depth direction as a function of spatial frequency with various temporal frequencies and stimulus contrasts using drifting gratings. The results showed that disparity threshold depended little on temporal frequency with the exception of high temporal frequencies (≥ 10Hz) independently of stimulus contrast. Contrary to temporal frequency, contrast substantially influenced spatial frequency characteristics. The disparity threshold was approximately constant with change in spatial frequency with slight increase at high spatial frequencies for contrasts higher than 0.2 when the threshold is expressed by phase difference between the left and right eye images (phase disparity). The phase disparity threshold had a negative peak at a spatial frequency between 1 and 5c/deg (band-pass) for contrasts lower than 0.2. We discuss possible differences in the underlying mechanisms to determine disparity threshold below and above temporal frequency of 10 Hz.     

非相干光纤激光组束中光栅参数的确定

光栅衍射效率是非相干光纤激光组束系统的关键,理论分析和数值仿真表明光栅衍射效率随着光栅频率和光栅厚度的减小而增大。全面综合考虑光栅频率应该选取在200mm-1和400mm-1之间,光栅厚度在1mm到2mm之间。同时提出了一种不等间隔方法提高系统总体衍射效率,该方法较等间隔条件下衍射效率提高了0.1651。     

高功率激光系统中近场滤波设计与理论模拟

基于经典耦合波理论,分析了透射型体Bragg光栅的衍射特性,建立了透射型体Bragg光栅的设计体系。采用带有调制的超高斯光束,对高功率激光系统的近场滤波进行了理论模拟,采用软化因子、近场调制度、近场对比度分析了输出光束的近场质量,采用功率谱密度函数分析了近场滤波对不同空间频率的滤除能力。研究结果表明,近场滤波对0.3～2.0mm-1的中、高频调制具有显著的滤除作用。     

ICP-AES测定高浓度基体下杂质元素的偏最小二乘法研究

建立了ICP-AES测定高浓度基体中微量杂质元素的偏最小二乘方法(PLS)。研究表明,PLS能有效校正高浓度基体干扰引起的测量误差,比多元光谱拟合法(MSF)能承受的基体浓度更高。当基体与杂质的含量比为1 000∶1～20 000∶1时,该方法的加标回收率在95%～105%之间。对于干扰效应与基体浓度呈非线性相关的体系,普通PLS的预测准确度不高,但使用基于样品浓度矩阵变换的偏最小二乘法(LIN-PPLS),则明显改善了预测的准确度。分别用MSF、普通PLS和LIN-PPLS对水系沉积物国家标准物质GBW07312中的Co,Pb和Ga进行测定,结果表明,LIN-PPLS的预测准确度优于普通PLS,而普通PLS的预测准确度优于MSF。     

Laser drilling of thick material using femtosecond pulse with a focus of dual-frequency beam

Laser drilling is one of the basic, most frequently performed, material removal processes. The drilling aspect ratio is theoretically limited by the size and the focal depth of the machining laser spot. The aspect ratio can be improved by using dual focus. In this paper we describe a focus of two different frequencies based on the longitudinal chromatic aberration arisen when polychromatic collimated light is incident on a positive lens element. In the experiments, a Ti:Sapphire laser of 800 nm wavelength and 150 fs pulse duration was used as a source. Two tightly focused laser spots few hundred micrometers apart from each other were formed by focusing a combined collimated laser beam which contains the fundamental optic frequency and the second harmonic optic frequency. The focus of dual-frequency beam was used to drill a 3 mm thick PMMA plate. The drilling aspect ratio of a dual-frequency beam was compared to that of a focus of single frequency beam. Experimental results reveal that dual-frequency beam increases the aspect ratio and improves the drilling quality in terms of profile of the produced features.     

基于声弛豫频率的可激发气体压强合成算法

声弛豫频率是声吸收谱峰值点的频率,包含可激发气体成分、环境温度和压强信息.利用声弛豫频率线性正比气体压强的特性,提出一种通过两频点声吸收系数和声速测量值计算声弛豫频率,并通过查表方式合成气体压强的算法.算法的声弛豫频率测量误差具有随声测量值误差线性变换的特性,且当两频点的声吸收测量误差相等时,压强的合成误差为零.对于一定温度下的甲烷及其混合气体,仿真计算证明算法的有效性和声测量误差的稳健性.提供一种简单、稳健性好、可实时连续在线检测可激发气体腔体压强的声学方法.