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)。     

基于光斑形状光束快速自动准直算法

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求,提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法,并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时,利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法,求出椭圆光斑长短轴的轴长,通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状,直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值,将差值转为闭环控制的步进电机调整步数,实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中,结果表明,远场指向精度优于0.033″,优于目前高功率激光准直系统准直效果,提高了激光光束的指向性精度.     

激光共聚焦近红外荧光扫描系统光学设计

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描,设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计,并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明:照明光路的聚焦弥散斑小于1 m,照明针孔处的聚焦光斑小于40 m,满足照明针孔的尺寸要求;发射针孔处的聚焦光斑小于10 m,满足探测针孔尺寸要求;同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求,照明光路在全视场空间分辨率420 lp/mm处MTF0.08,发射光路在全视场空间频率400 lp/mm处MTF0.07。     

基于远程LIBS技术的镍基高温合金成分分析方法的研究

基于自行设计搭建的远程激光诱导击穿光谱(LIBS)系统,完成了远程LIBS的聚焦特性分析,并对远程LIBS技术应用于镍基高温合金成分分析的实验方法进行了研究.该LIBS系统具备激光发射光路和信号采集光路同轴且独立变焦的特点,通过自动聚焦,可实现1～10 m的远程分析.研究表明:受激光聚焦焦深的影响,等离子体光信号可探测...     

神光Ⅲ主机搭载平台双光路自动瞄准系统

神光Ⅲ主机靶室中用来搭载多种物理诊断设备(条纹相机、分幅相机等)的平台要求具有很高的定位精度和工作稳定性,能方便、可靠地实现对靶室内打靶目标的瞄准,为此设计了一种双光路自动调整与瞄准装置,其位置精度可以保证20μm范围内。搭载平台采用了一套双光路成像系统和一套三自由度运动部件构成瞄准系统。在瞄准系统中,应用视觉伺服控制技术,实现了搭载平台对打靶目标的高精度自动瞄准。搭载平台已经安装到神光Ⅲ主机装置上进行了自动瞄准精度检测,得到径向(z)和指向(x,y)的瞄准调整精度分别为14,11,12μm;实际搭载了分幅相机进行激光打靶考核验证,通过物理实验得到了X光焦斑图像,表明该自动瞄准调整系统满足工程使用要求。     

光学仪器照明CAD软件设计

设计了一套照明CAD软件用于实现对光学仪器中照明光路照度分布模拟.对该照明CAD系统的光线追迹与光照度计算方法进行了理论探讨,其中在光照度计算方法中引入了线性同余组合发生器,大大提高了模拟的真实性.运用该软件对实际照明光路进行了分析,分析结果表明该软件获得了需要的照度分布模拟图,能较好地满足用户要求.     

自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点,适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构,由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上,电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置,改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距,进而改变系统的焦距,实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于：激光聚焦光路与信号光采集光路相同,便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路,适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜,结构紧凑,元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m,聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验,确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系,得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明,该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量,并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。     

神光Ⅱ第九路光路自动准直系统研究

光路自动准直系统应用于惯性约束聚变的高功率激光装置中。针对神光Ⅱ第九路装置,设计了一套可行的准直方案,并在装置上进行了实验。实验结果表明,自动准直系统能够在15minSq顺利完成光路的自动调整,小口径近场调整准直精度小于±0．5mm,大口径近场调整准直精度小于±1．0mm,远场准直精度小于±1”,满足了装置的设计要求。     

图像处理在光路自动准直系统中的应用

光路自动准直系统应用于惯性约束聚变的高功率激光装置中的光束自动调整。图像处理是光路自动准直的关键技术之一。针对神光Ⅲ原型装置,结合阈值化、重心法、中值滤波和圆拟合等多种不同的图像处理方法设计了一套合理的准直方案,并且在模拟实验平台上进行了实验验证。实验结果表明,光路自动准直系统能够在15min之内顺利完成光路的自动调整,光束近场调整精度优于近场光斑的±0.5%,光束远场调整精度≤±0.3″,满足了原型装置的总体要求。     

基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法

为了实时准确地将激光直写系统中经直写物镜聚焦的光斑定位于待加工元件表面,提出了一种基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法,实现了对离焦量的实时检测与调整。在直写系统中引入检焦光路,与直写光路共享同一物镜,构建Linnik型同步相移显微干涉检焦系统,提取包含离焦量的波面相位信息;再从大数值孔径（NA）的物镜波像差数据中解析出离焦量的大小与方向。仿真结果验证了基于波像差判据的离焦计算方法的正确性,NA≥0.5时,离焦探测灵敏度可达4 nm, 通过实验验证了同步相移显微干涉检焦方法的可行性,检焦精度可达10 nm以内,满足激光直写高精度的测量要求。     

采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计

针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求,设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上,给出了激光3D成像光学系统结构框图:激光经衍射元件实现分束照明,采用双工反射镜实现收发光路的耦合。该光学系统用于2 km以内的目标三维成像,根据激光测距方程,确定了接收光学系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。为避免造成像素之间串扰,设计了5倍扩束比的发射光学系统。最后,采用偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光,降低了发射光路对接收光路的影响。设计结果表明:接收光学系统弥散斑直径小于120μm,畸变小于0.2%。该光学系统体积小、重量轻,成像质量良好,可为同类激光成像光学系统提供借鉴参考。     

成像型任意反射面速度干涉仪的散斑抑制

成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)是激光驱动聚变实验中诊断冲击波速度的重要设备。由于采用了激光照明靶面的方式,所获得的速度条纹图中不可避免有激光散斑的干扰,严重影响动态条纹的质量。介绍了该系统的激光散斑形成原因和散斑对速度分析的影响,提出了一种频谱面滤波的方式去除高频散斑噪声的方法,并通过搭建散斑光路、合理设置滤波孔位置和大小,对该方法进行了验证。结果表明,该方法对影响条纹图的高频散斑噪声具有抑制作用,适合应用于成像型VISAR系统。     

神光Ⅲ原型装置背向散射光诊断系统的标定

背向散射光诊断系统是惯性约束聚变实验中的重要诊断装置。概述了神光Ⅲ原型激光装置背反系统的基本结构和工作原理,详细介绍了一种全口径光斑透过率和光谱响应标定方法。该方法以高功率激光光源和氙灯光源作为标定源,利用特殊的标定光路形成大光斑覆盖背反系统光学元件的全部口径,模拟散射光在全孔径背反系统上的分布,分别对系统的透过率和光谱响应进行了标定。标定结果表明,全孔径背向散射系统受激拉曼散射支路能对波长大于400nm的光进行传递,在527nm处的透过率较低。     

弹载共孔径激光微多普勒目标识别系统研究

为实现对距离4 km目标100 Hz振动特征的提取,提出利用激光微多普勒手段增强导弹目标辨识能力的方法。设计了一种基于偏振分光的激光发射/接收/电视共孔径系统,这种能够二级稳定的系统适应于弹载环境,利用光纤选通完成光程自动补偿,实现相干光匹配,采用本振/回波信号相干法,用线宽300 Hz的本振光调制后形成探测脉冲光,可提高探测距离,并避免回波与本振光因大气衰减而导致的错峰,由FPGA/DSP构建的傅里叶变换电路可获取时频曲线信号,频移为36 kHz时可实现目标的辨识。     

基于半导体纳米线和金属脊的混合表面等离子体波导模式特性分析

波长可开关光纤激光器可以选择多波长光纤激光器中的一个或多个波长输出,支持光网络中多个波长的动态分配,适应现代光纤通信系统信道数越来越多的波分复用和密集波分复用的发展方向.本文提出并实现了一种自激发多波长可开关掺铒光纤激光器.该激光器通过一个980 nm泵浦进行抽运,使用掺铒光纤作为增益介质,产生1 550 nm光谱,并通过一个环形结构返回,从而实现自激发的过程,降低了实验成本.实验使用一个含有两段保偏光纤的Sagnac环作为滤波器.通过调整Sagnac环形滤波器内偏振控制器的角度,改变Sagnac环形滤波器的腔内增益,可以让光纤光栅反射出来的波长选择性通过,从而实现波长的开关功能.实验证明,通过调整Sagnac滤波器的腔内增益而让多波长选择性通过,是一种有效的实现波长可开关功能的方法.     

神光Ⅲ原型装置直接驱动均匀辐照设计及在快点火中的潜在应用

研究了基于间接驱动设计的神光Ⅲ原型装置在直接驱动方式下提供的辐照均匀程度,在考虑激光瞄准偏差以及激光束间能量偏差的情况下,通过优化激光光斑内部光强分布实现了球靶表面较高程度的均匀辐照。研究表明光强均方根随激光偏差的减小而降低。在优化结果基础上,分析了优化光强与实际光强的联系,指出可通过同步放缩具有长度量纲的量调整靶球表面平均光强,为后续靶设计提供了依据。最后,研究了优化结果在直接驱动快点火技术途径下的应用,分析了导引锥对激光传输的影响,表明当导引锥位于靶球两极方向,并且半锥角小于30°时,导引锥对锥外部靶球表面的光强分布影响较小,优化结果亦可应用于直接驱动快点火。     

小宽带光谱色散匀滑光束传输特性研究

利用激光聚变研究中心自主开发的小宽带传输放大软件对小宽带光谱色散匀滑(SSD)光束进行具有"时间、空间、光谱分辨"的传输模拟,研究了SSD光束通过空间滤波器和自由空间的传输特性.给出了时间、空间、光谱的对应分布图,对比分析了SSD光束与非SSD光束的传输效应.研究结果对于合理设计SSD光束的发散角与空间滤波器小孔之间的匹配关系、选择适宜的调制频率,以及选择束匀滑色循环数等都有重要意义,同时对于光路设计特别是细光束自由传输距离的设计具有指导意义.     

Volume holographic imaging element with background noise reduction function for eye-gaze detection under white light illumination

Volume holographic optical element (VHOE) for imaging under white light illumination is integrated with imaging elements and background noise reduction filter. An integrated VHOE and the band pass filter which is optimized to the VHOE can develop the optical setup for a wearable eye-gaze detection system. An integrated VHOE is fabricated in photopolymer and then the effects of noise reduction filters as a function of the direction of the incident plane wave into an image sensor are evaluated. Experimental results show that the background noise reduction filter should be designed to reduce the incident light with wide direction of the transmitted light.     

相位调制边带失衡问题研究

 高功率激光系统中一般利用相位调制器对单纵模激光进行频谱展宽以避免受激布里渊散射，当后继系统中的滤波器存在中心波长偏差时，则会导致相位调制产生的边带失衡，使光信号出现较为严重的高频起伏。基于前端系统模拟平台对此问题进行了数值模拟研究，结果表明滤波后的高频起伏随滤波器带宽变窄和中心波长偏差增大而加剧。分析表明0.2 nm带宽的滤波器出现0.05 nm左右的波长偏差时，将引起24.3%左右的顶部起伏。实验中根据分析将滤波器带宽从0.2 nm加大到0.4 nm，成功将脉冲顶部起伏从25.2%减小到了4.4%，对前端系统的研制起到了很好的指导作用。