利用Cramér-Rao理论研究相位差法的最佳离焦量

针对光子数足够多的情况,利用Cramér-Rao理论研究了在选取离焦作为附加像差时,不同的待测波前和目标对最佳离焦量选取的影响。结果表明:在点目标情况下,像差的大小和空间频率对最佳离焦量的影响不大;而在扩展目标情况下,最佳离焦量虽然与待测像差的空间频率关系不明显,但随着待测像差峰谷值的增大而增大。最佳离焦量与目标的结构有关而与其扩展程度关系不大,成像时目标上各点的干扰越大,最佳离焦量越大。     

利用Cramér-Rao理论研究相位差法的最佳离焦量北大核心CSCD

针对光子数足够多的情况,利用Cramér-Rao理论研究了在选取离焦作为附加像差时,不同的待测波前和目标对最佳离焦量选取的影响。结果表明:在点目标情况下,像差的大小和空间频率对最佳离焦量的影响不大;而在扩展目标情况下,最佳离焦量虽然与待测像差的空间频率关系不明显,但随着待测像差峰谷值的增大而增大。最佳离焦量与目标的结构有关而与其扩展程度关系不大,成像时目标上各点的干扰越大,最佳离焦量越大。     

利用Cramér-Rao理论研究相位差法的最佳离焦量

 针对光子数足够多的情况,利用Cramér-Rao理论研究了在选取离焦作为附加像差时,不同的待测波前和目标对最佳离焦量选取的影响。结果表明:在点目标情况下,像差的大小和空间频率对最佳离焦量的影响不大;而在扩展目标情况下,最佳离焦量虽然与待测像差的空间频率关系不明显,但随着待测像差峰谷值的增大而增大。最佳离焦量与目标的结构有关而与其扩展程度关系不大,成像时目标上各点的干扰越大,最佳离焦量越大。     

相位差法波前传感系统自身误差的分析及消除方法

针对附加像差为离焦的情况,对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差以及图像噪声等因素带来的波前传感误差进行了数值模拟,并给出了确定焦面位置、对准焦面图像和离焦面图像、精确计算分光比、确定离焦量以及处理图像噪声的方法。使得传感结果的均方根误差分别由0.088 8λ,0.059 0λ,0.128 4λ,4.170 6λ,0.152 6λ降为0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.029 2λ。结果表明:这些方法可以有效地减小传感误差,大大提高了传感精度,为相位差法的实际应用提供了重要的技术支持。     

相位差法波前传感系统自身误差的分析及消除方法

 针对附加像差为离焦的情况,对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差以及图像噪声等因素带来的波前传感误差进行了数值模拟,并给出了确定焦面位置、对准焦面图像和离焦面图像、精确计算分光比、确定离焦量以及处理图像噪声的方法。使得传感结果的均方根误差分别由0.088 8λ,0.059 0λ,0.128 4λ,4.170 6λ,0.152 6λ降为0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.029 2λ。结果表明:这些方法可以有效地减小传感误差,大大提高了传感精度,为相位差法的实际应用提供了重要的技术支持。     

基于偏心光束法的离焦量探测装置及计算方法的改进

引入生物显微镜用于探测病理切片离焦量。针对反射光斑内部纹理缺陷、畸变严重的特殊情况,通过自适应中值滤波、基于Ostu算法的Canny边缘检测(去除非圆弧边缘部分)、畸变校正、最小二乘法拟合非完整圆等算法,直接计算光斑半径大小及离焦方向,建立光斑半径与离焦量的线性关系模型。实验结果表明,与传统的灰度重心法相比,离焦量计算方法抗噪性强、稳定性高,可大幅度地提高线性关系模型的范围及光斑半径、圆心位置的准确度。     

基于遗传算法的稀疏孔径两次离焦相位差法

稀疏孔径望远镜的子镜装调误差是影响光学系统成像质量的主要因素之一。研究了基于遗传算法的两次离焦相位差法,即在稀疏孔径望远镜系统的两个不同的离焦面上获得两幅图像数据,采用遗传算法,通过最大似然估计目标函数最优化的方法,恢复目标图像并计算出稀疏孔径光学系统的活塞误差和倾斜误差,分析了复原图像的信噪比和方差。结果表明:遗传算法与两次离焦相位差法的结合不但可以精确求得子镜的装调误差,而且能够算出两次离焦的距离。与传统相位差法相比,计算时间相当,实验难度降低。     

高精度相位差波前探测器的数值仿真和实验研究

相位差(PD)波前探测器具有光路简单、共光路测量等优点,不仅适合点目标,而且适合扩展目标.随着算法和硬件水平的不断提高,相位差法已经成为波前探测技术的一个重要发展方向.对相位差波前探测器进行了研究,成功实现了对点目标和扩展目标的波前探测,给出了数值仿真结果.针对点目标,搭建实验光路,对静态的单阶Zernike像差和随机...     

相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究

相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于λ/20(λ为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.     

原子分子离化截面分波法的数值计算

讨论了原子分子离化截面分波方法的数值计算,特别是高分波项的处理问题。利用外推法,在包括任意大的高分波项的同时,节省了大量计算机时,而且得到较满意的计算结果.     

光学薄膜中节瘤缺陷研究进展

结合本实验室及国内外同行的工作进展,概括性地介绍了光学薄膜中节瘤缺陷的生长特性、结构特征和损伤特性,以及激光预处理和破坏修复技术的研究进展。节瘤种子的尺寸、形状和表面特性决定了节瘤缺陷的尺寸、边界结构的连续性和表面形貌特征。节瘤种子的来源主要有基底加工和清洗过程的残留物,镀膜过程中真空室的污染和蒸发材料的喷溅,并给出了相应的抑制方法。节瘤的电场增强效应是导致节瘤缺陷易损伤的另一个重要原因。节瘤缺陷的激光预处理和破坏坑的修复技术可以提高光学薄膜的抗激光损伤能力。     

节瘤缺陷对中红外高反射膜电场增强影响的数值分析

运用时域有限差分(FDTD)方法建立了薄膜中节瘤缺陷在高斯激光照射下电磁场响应模型，分析了节瘤的深度、起始颗粒大小和入射光角度对薄膜中电磁场的影响。结果表明：节瘤缺馅对薄膜中电场强度有显著的加强作用，其内部峰值场强是入射光的6倍，大而浅节瘤缺陷对倾斜入射p偏振态的激光具有最高的加强效应.     

节瘤缺陷平坦化提高高反射膜的激光损伤阈值

探究了节瘤缺陷平坦化技术中平坦化层(刻蚀层)厚度和种子源尺寸之间的刻蚀规律,同时解释了平坦化技术提高节瘤缺陷的损伤阈值的机制。在双离子束溅射系统中,使用SiO₂微球模拟真实的种子源置于基板上,镀制1064 nm HfO₂/SiO₂高反膜,制备人工节瘤缺陷。对类似于实际种子源的SiO₂微球一系列不同刻蚀程度的实验得出了节瘤缺陷平坦化技术的刻蚀规律：只要平坦化层(刻蚀层)的厚度稍大于节瘤缺陷的种子源粒径,就可以将种子源完全平坦化。使用时域有限差分法(FDTD)模拟不同平坦化程度的节瘤缺陷内电场增强的结果与节瘤缺陷的损伤形貌进行对比实验,将损伤形貌和损伤阈值与电场强度分布之间建立联系,表明平坦化技术可以改变节瘤缺陷原有的几何结构,有效抑制节瘤缺陷的电场增强效应。最后,通过对未经平坦化和经过平坦化处理后的节瘤缺陷进行损伤阈值测试,对比结果直接验证了节瘤缺陷平坦化技术可以实现对节瘤缺陷的调控,大幅度提高了节瘤缺陷的损伤阈值。     

高反射光学薄膜激光损伤研究进展

激光诱导损伤阈值是大功率光学系统中重要参数,其数值大小对激光系统的输出功率与稳定性具有重要影响。为了突破损伤阈值对激光光学系统输出功率的限制,科研人员主要从制备薄膜工艺、激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺等方面开展研究。本文介绍了高反膜理论、制备工艺;综述了近十年来国内外对高反膜损伤研究的成果;阐述了激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺对薄膜损伤阈值的影响。在此基础上,对提高高反膜损伤阈值的研究和发展趋势进行了分析与展望。     

YbF3沉积速率对红外激光薄膜表面缺陷的影响

在介绍了薄膜缺陷的特点及成因的基础上,分析了YbF3沉积速率对红外激光薄膜表面缺陷密度的影响,得出了镀制激光薄膜所需的合适速率。结果表明：薄膜表面缺陷主要以节瘤缺陷与陷穴缺陷为主,其缺陷密度随YbF3沉积速率的减小基本表现为减小的趋势,当ZnS沉积速率约为0.2 nm/s,YbF3沉积速率约为0.4 nm/s时,可得到比较满意的激光薄膜,薄膜表面缺陷密度仅为0.000 675。     

Characteristics of nodular defect in HfO2/SiO2 multilayer optical coatings

Laser-induced damage is associated with nodular defects in HfO₂/SiO₂ multilayer films. In order to investigate the damage characteristics of HfO₂/SiO₂ multilayer mirrors and find the information of improving laser-induced damage threshold, nodular defects are characterized by multiple analytical techniques; the damage morphologies induced by nodular-ejections are presented; the depths of nodular-ejection pits are investigated; the laser-induced damage threshold of zero probability and the stabilities of nodular-ejection pits exposed to repetitive illuminations are studied. Results show that domes in the film surface are nodular defects. Reliable depth information of nodular-ejection pits is obtained by counting layers from the damage edge. The depth statistical result implies nodular defects in these samples are usually originated from deep seeds. Some process optimizations suggestions are given based on the depth information. A simple tractable method is proposed to determine the functional damage threshold of these HfO₂/SiO₂ multilayer films basing on the damage experiments.     

渐变折射率Ta_2O_5/SiO_2薄膜多脉冲激光损伤特性

采用离子束溅射(IBS)的方式,制备了1064nm高反射Ta2O5/SiO2渐变折射率光学薄膜。对其光学性能和在基频多脉冲下抗损伤性能进行了分析。通过渐变折射率的设计方式,很好地抑制了边带波纹,增加了1064nm反射率。通过对损伤阈值的分析发现,随着脉冲个数的增加,损伤阈值下降明显;但是在20个脉冲数后,损伤阈值(维持在22J/cm2左右)几乎保持不变直到100个脉冲数。通过Leica显微镜对损伤形貌的观察,发现损伤诱因是薄膜表面的节瘤缺陷。通过扫描电镜(SEM)以及聚集离子束(FIB)对薄膜表面以及断面的观察,证实了薄膜的损伤起源于薄膜表面的节瘤缺陷。进一步研究得出,渐变折射率薄膜在基频光单脉冲下损伤主要是由初始节瘤缺陷引起的,在后续多脉冲激光辐照下初始节瘤缺陷引起烧蚀坑的面积扩大扫过薄膜上的其他节瘤缺陷,引起了其他节瘤缺陷的喷射使损伤加剧,造成损伤的"累积效应"。     

Subsurface damage in optical substrates

The origin, character, analysis and treatment of subsurface damage (SSD) were summarized in this paper. SSD, which was introduced to substrates by manufacture processes, may bring about the decrease of laser-induced damage threshold (LIDT) of substrates and thin films. Nondestructive evaluation (NDE) methods for the measurement of SSD were used extensively because of their conveniences and reliabilities. The principle, experimental setup and some other technological details were given for total internal reflection microscopy (TIRM), high-frequency scanning acoustic microscopy (HFSAM) and laser-modulated scattering (LMS). However, the spatial resolution, probing depth and theoretic models of these NDE methods demanded further studies. Furthermore, effective surface treatments for minimizing or eliminating SSD were also presented in this paper. Both advantages and disadvantages of ion beam etching (IBE) and magnetorheological finishing (MRF) were discussed. Finally, the key problems and research directions of SSD were summarized.     

节瘤缺陷激光损伤的研究进展

在近红外反射类激光薄膜中,节瘤缺陷是引起薄膜激光损伤的主要因素。为了提高激光薄膜的损伤阈值,对节瘤缺陷及其损伤特性进行研究具有重要意义。从真实节瘤缺陷和人工节瘤缺陷两个方面介绍节瘤缺陷的研究进展。基于真实节瘤缺陷的研究,建立了节瘤缺陷的结构特征,形成了节瘤缺陷损伤特性和损伤机制的初步认识,利用时域有限差分法(FDTD)模拟了电场增强,初步解释了节瘤缺陷的损伤机制,发明了抑制节瘤缺陷种子源的方法和激光预处理技术,减少了节瘤缺陷,提高了薄膜损伤阈值。但是真实节瘤缺陷的性质,如种子源尺寸、吸收性以及位置深度等,都难以控制和预测,难以开展节瘤缺陷损伤特性的系统和量化研究,致使关于节瘤缺陷损伤的科学认识尚有不足。基于人工节瘤缺陷的研究,可以实现节瘤缺陷损伤特性的系统、量化甚至单一因素研究,极大地提高了实验研究的效率和可靠性,获得了一系列定量损伤规律。人工节瘤缺陷的高度受控性使实验研究与理论模拟的可靠对比成为可能,人工节瘤缺陷的损伤形貌和FDTD电场模拟的直接比较实验不仅验证了时域有限差分法(FDTD)模拟电场的正确性,也进一步明确了电场增强是诱导节瘤缺陷损伤的主要机制。对节瘤缺陷的损伤机制有了更为深刻的认识后,人们开始调控节瘤缺陷的电场增强效应提高节瘤缺陷的损伤阈值,发展了宽角度反射薄膜技术和节瘤缺陷平坦化技术,抑制电场增强,提高损伤阈值。这扩展了控制节瘤缺陷的思路和方法,从原来单一的去除节瘤缺陷到调控节瘤缺陷,为进一步提高薄膜的损伤阈值开辟了新的方向和途径。     

基于飞秒激光微加工的介质膜损伤修复研究

针对波长1053 nm, 0°高反介质膜元件, 采用有限时域差分法, 模拟分析了损伤修复点边缘与法线的夹角对膜层内电场强度分布的影响, 该角度越小, 修复点的损伤阈值越高. 通过优化飞秒激光微加工过程中的焦斑尺寸、脉冲能量、扫描步长和扫描次数等参数, 获得了夹角为25°、深度为14 μm的修复点. 该修复点典型的损伤阈值为21 J/cm², 是修复前的2.3倍, 50个修复点的测试结果表明该修复参数具有非常好的可重复性. 修复点的测试结果还验证了修复点边缘与法线的夹角大小与其损伤阈值的关系, 45°的电场强度最大值约为25°的2.5倍, 而45°的损伤阈值约为25°的1/2, 模拟和实验结果一致性较好. 同时, 实验验证了微加工的激光脉宽对修复点损伤阈值的影响, 在只改变脉宽的情况下, 脉宽越长, 损伤阈值越低.