基于无基底焦平面阵列红外热像仪的理论模型分析

基于双材料微悬臂梁热变形原理的光学读出非制冷红外探测阵列经历了从有基底结构向无基底结构的发展过渡,无基底阵列的红外成像结果和有限元模型分析均表明无基底阵列不满足恒温基底条件.本文结合电学比拟的方法,提出了一种新的基于无基底焦平面阵列(focal plane Array,FPA)的热传递分析的理论模型.分析采用整体考虑的思路,避开了无基底FPA阵列各单元热传递互相影响所产生的复杂热分布分析,并考虑了框架对热量的吸收与传递.理论模型采用外边框与环境等温的边界条件,虽不及有限元方法对边界条件的处理灵活,但也已取 关键词： 光学读出 无基底 非制冷红外成像 焦平面阵列     

幅度调制器对宽带低相干光时频特性的影响

通过改变马赫-曾德干涉型幅度调制器的射频系数和偏置电压,调制光脉冲的强度。研究了幅度调制器对宽带低相干光时频特性影响的规律,分析调制后的光脉冲时域波形分布、光谱和复相干度模值曲线,结果表明,射频系数对光脉冲的光谱成分和时间相干性无明显的调制,射频系数存在最佳工作区间使得输出光脉冲的波形保真度最佳。当偏置电压处于半波电压时,光脉冲的时域波形保真度最好,时间相干性最低,但光谱成分会缺失。理论仿真了调制器的臂长差、偏置电压对宽带低相干光频域特性的影响,与由实测光谱计算出调制器的臂长差,实验结果进行了对比,结果基本符合。由于实际的电光重叠积分因子随加载电压值变化,因而模拟与实测结果存在误差,但研究得出的规律将为低相干脉冲精密整形系统提供更为明确的方向。     

近红外波段宽带时间低相干光参量放大技术

在激光驱动惯性约束核聚变研究中,具有宽带、低相干特性的时间低相干光源将有望降低激光与等离子体相互作用的不稳定性,成为新一代激光驱动装置的有力竞争者。实现高功率低相干光放大输出是低相干光驱动器能否应用于惯性约束聚变领域的核心。光参量放大具有大带宽、高增益、无热效应等优势,可避免能级型放大介质的光谱窄化问题,是实现宽带低相干光放大的有效方案。系统阐述了宽带时间低相干光参量放大技术的原理和技术特性,并基于实验验证了采用非共线相位匹配的近红外波段宽带时间低相干光级联参量放大过程,最终实现7×10⁷的放大增益和13.19%的转换效率。     

无基底焦平面阵列的红外成像性能分析

利用提出的光学读出非制冷红外成像系统,先后制作了单元尺寸各不相同的单层膜无基底焦平面阵列(focal plane array,FPA),获得了室温物体的热图像.分析发现,当FPA的单元尺寸从200μm逐渐减小到60μm时,基于恒温基底模型的理论响应与实验结果的偏差逐渐增大.通过有限元分析方法,模拟分析了不同尺寸的微梁单元在无基底FPA中的热学行为,发现了当单元尺寸逐渐减小时恒温基底模型偏差逐渐增大的原因,即无基底FPA的支撑框架不满足恒温基底条件,受热辐射后支撑框架的温升从基底上抬高了单元的温升.论文还分 关键词： 光学读出 非制冷红外成像 焦平面阵列 无基底     

无基底焦平面阵列结构优化设计及性能分析

基于光学读出非制冷红外成像技术,本文作者提出并成功设计制作了无基底焦平面阵列结构(Focal Plane Array,FPA),不仅简化了制作工艺,而且大幅提升了成像性能。但由于其为单层膜结构,固有频率值低,可能会引起热机械振动噪声(NETDTM),导致噪声等效温度差(NETD)上升。为解决这一问题,本文提出两种改进的加强梁结构,借助有限元简化模型和激光位移传感器,通过数值模拟和实验验证,证实这两种结构可以大幅度提高FPA固有频率值(分别从74Hz提升至835Hz和404Hz),NETDTM降低约两个数量级,从而实现了对FPA的优化设计。     

kJ级宽带低相干激光驱动装置

激光等离子体相互作用的不稳定性将有望通过降低高功率激光装置输出光束的相干性得到大幅缓解。利用低相干光源作为种子源，采用钕玻璃放大介质，研制成功国际首台kJ级大带宽低相干激光装置，实现了带宽13 nm、能量960 J、脉宽3～10 ns可调，相干时间仅为300 fs的大能量光脉冲输出。输出脉冲光谱匀滑无纵模结构，且谱相位随机分布，可实现脉冲波形和光谱分布的无关联精密调控。该装置不仅成功演示验证了低相干激光驱动器的单元技术及系统集成技术，同时也为激光等离子体相互作用及高能量密度物理研究提供了全新的实验研究平台。     

高功率钕玻璃激光系统低时间相干光频率转换技术研究进展

低时间相干脉冲可有效提高激光与等离子相互作用中参量不稳定性的阈值，但高效频率转换难题是实现其工程应用瓶颈之一。系统分析了高功率激光驱动器已有的各类低时间相干脉冲频率转换技术的特性，并基于数值模拟和实验分析了部分掺氘DKDP晶体用于超辐射光倍频、三倍频的特性与工程应用可行性，结果表明掺氘17%左右DKDP晶体可以提高钕玻璃系统超辐射光的倍频效率，理论转换效率可达到约80%，10%梯度掺氘DKDP晶体则可实现5 THz带宽三倍频输出。     

Thermal and mechanical characterizations of asubstrate-free focal plane array

We propose a substrate-free focal plane array (FPA) in this paper. The solid substrate is completely removed, and the microcantilevers extend from a supporting frame. Using finite element analysis, the thermal and mechanical characterizations of the substrate-free FPA are presented. Because of the large decrease in thermal conductance, the supporting frame is temperature dependent, which brings out a unique feature: the lower the thermal conductance of the supporting frame is, the higher the energy conversion efficiency in the substrate-free FPA will be. The results from the finite element analyses are consistent with our measurements: two types of substrate-free FPAs with pixel sizes of 200× 200 and 60× 60~μ m² are implemented in the proposed infrared detector. The noise equivalent temperature difference (NETD) values are experimentally measured to be 520 and 300~mK respectively. Further refinements are considered in various aspects, and the substrate-free FPA with a pixel size of 30× 30~μ m² has a potential of achieving an NETD value of 10~mK.     

焦平面阵列反光板的优化设计与制作

光学读出红外热成像系统中,焦平面阵列(FPA)反光板的初始弯曲降低了系统的光学检测灵敏度。针对FPA的设计制作,提出了两种降低其反光板初始弯曲的优化设计方案:减薄反光板上金层厚度和制作带加强筋的反光板。在理论分析的基础上,设计制作了单元尺寸为200μm的反光板金层减薄FPA,其反光板曲率半径提高至原来金层未减薄FPA的4.71倍,系统光学检测灵敏度提高了5.2倍;单元尺寸为60μm的反光板带加强筋FPA,其反光板曲率半径提高至原来没有加强筋FPA的4.29倍,系统光学检测灵敏度提高了1.18倍。实验验证了理论分析的结果。     

光学读出微梁阵列红外成像性能分析与优化

系统响应率是光学读出微梁焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)红外成像的关键性能参数。在刀口滤波光学读出技术中,系统响应率的主要组成部分——光学读出灵敏度与微梁反光板的长度密切相关,并受到反光板弯曲变形的严重影响。由于残余应力在制作过程中不可避免地存在,微梁反光板都有弯曲变形,膜厚相同的反光板具有相同的变形曲率半径。本文利用傅里叶光学分析了反光板长度和弯曲变形对光学读出灵敏度的影响,构建并实验验证光学读出灵敏度理论模型。根据该模型,分析了系统响应率与反光板长度之间关系,理论分析与实验结果相符。结果表明,通过减薄SiNx厚度并使反光板处于该厚度下的最优长度,不仅能提高红外成像的系统响应率,而且能同时提高红外成像的空间分辨率。