双谐激光场作用下SBS过程诱导的光学材料破坏

 提出了光学 力学相干耦合的概念，采用非线性光学的耦合波理论，建立了高功率激光辐照下透明光学材料中相干声波的产生、演化的动力学模型。探讨了在泵浦激光场和Stokes激光场共同作用下受激布里渊过程对光学材料破坏的可能性，计算了稳态情况下激光场在材料内部激发出的应力幅度，结合弹性力学，建立了透明光学材料的相干破坏阈值理论，研究了破坏阈值与Stokes光强的关系，发现在稳态下破坏阈值对Stokes光强并不敏感。分析了在实际情况下一些因素对材料破坏的影响。     

CW激光对铝合金薄板的热应力破坏的模拟计算

 用有限元法模拟计算了连续激光对受预载荷作用的铝合金薄板产生的热应力破坏，得到了破坏阈值与预载荷、激光功率密度及激光波长的关系。计算中考虑了材料的物性参数如表面耦合系数、屈服强度、膨胀系数等随温度变化而改变。所得结论与文献[1]对铝合金材料的实验结果在量级上相符。     

熔石英表面热致应力对激光损伤行为影响的研究

为了研究热致应力对光学元件损伤特性的影响,通过实验测试退火处理消除热应力和未消热应力石英基片的激光损伤特性,研究了热致应力对石英元件初始损伤阈值、损伤增长阈值以及损伤增长规律的影响.结果表明,热致应力对熔石英光学元件的初始损伤阈值有影响,初始损伤阈值随着热致应力增大而降低;热致应力会加剧激光引发的损伤增长,相同的激光通量下,表面应力越大的区域拥有越高的损伤增长因子,但损伤增长仍遵从指数增长规律.热致应力对损伤增长阈值没有明显的影响.本文的研究将为CO2激光预处理工艺能否被应用于大口径光学元件提供一个必要的技术参考.     

连续CO2激光对红外窗口材料损伤研究

研究了连续ＣＯ２激光对几种红外窗口材料的表面损伤特性，研究表明，损伤机制在于杂质缺陷吸收造成的热冲击应力破坏。深入研究了杂质缺陷密度、焦斑与材料损伤阈值的关系，并建立了一个损伤模型。同时分析了热冲击应力破坏方式。     

一种新型的轻质反射镜材料

对使用轻质材料制作的轻量化空间光学反射镜的应用背景进行了阐述,并论述了轻量化技术的关键环节-镜体材料的选择;提出高轻量化率镜体的材料选择准则:将碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与铍(Be)、碳化硅(SiC)材料进行了综合比较和讨论,并针对CFRP材料的镜体结构进行了有限元仿真计算,最终选择了CFRP作为轻质空间光学反射镜的镜体材料.     

K9光学玻璃化学钢化技术研究

为提高K9光学玻璃在一些特殊应用领域（如高压、温度变化剧烈等）的力学性能,并保证其光学性能符合精密光学仪器要求,对K9光学玻璃进行了化学钢化技术研究。以脆性材料断裂过程微裂纹扩展理论为基础,导出化学钢化玻璃强度应力因子计算模型,分析化学钢化表面应力与表面微裂纹深度、韧性之间的关系,指出化学钢化工艺应注意的事项。通过实验研究,分析化学钢化温度和钢化时间对K9光学玻璃抗弯强度、表面应力及应力层厚度的影响,优化得出K9光学玻璃化学钢化温度为400 ℃、钢化时间为40 h。采用优化工艺,获得了表面应力为500 MPa、应力层厚度为50 μm量级及规格为220 mm×110 mm×22 mm的化学钢化K9光学玻璃样件。钢化后,样件抗弯强度提高了3.5倍以上,且表面疵病、光学鉴别率、透过率等光学性能指标未见明显变化。     

计算超薄镜最接近球面的非球面梯度法及有限元分析

利用超薄镜的弹性变形,通过主动光学技术将超薄球面镜变形为所需精度的非球面镜,可以避开大口径超薄非球面镜的制造难题。在分析了传统的非球面超薄镜最接近球面选择原则的基础上,提出了以非球面梯度作为选择原则的依据。针对一个实例,用非球面梯度法和最小二乘法分别求出两个最接近球面并对它们进行有限元法的变形分析,对它们变形后的面形精度和最大应力进行了比较。结果表明,在相同的边界条件、加载个数和加载位置的条件下,以非球面梯度法求出的最接近球面在变形后不仅应力小,且更有利于提高面形精度。     

全息检测中的焦散线现象与干涉条纹的关系

在实时全息干涉计量实验中，当试件负荷甚大时，干涉条纹中会出现一些阴影区，它们在试件破裂过程中起重要作用。当负荷接近试件断裂强度时，可清晰看到并记录下阴影区的延伸、分叉、扩展直至试件破裂的过程。这些阴影区实际上就是几何光学中的焦散线现象。应用此现象可以计算应力强度因子。介绍了在寻找全息干涉条纹与应力强度因子之间关系所作的研究，导出了干涉条纹最大值与应力强度因子之间的定量关系式。从而，为使用全息法与焦散线法相结合的检测方法提供了定量计算的基础。     

化学钢化光学窗口玻璃强度分析与检测

以脆性材料的断裂力学为基础,根据化学钢化光学窗口玻璃表面应力分布状态,分析了化学钢化对光学窗口玻璃强度的影响。将Weibull模型与玻璃微裂纹生长理论相结合,分析并提出了化学钢化光学窗口玻璃的强度检验和寿命预测方法,为化学钢化光学窗口玻璃的强度设计和检验提供指导。     

大口径高精度空间光学窗镜制造技术

大口径高精度空间光学窗镜的技术特点有二。其一是要有很高的波面畸变精度。受窗谱材料光学均匀性的限制，常规的平面镜制造技术已不再适用。应用以非平面的镜面修磨工艺与全口径数字干涉检验为技术基础的等光程工艺方法，已研制出波面畸变小于λ／５０（ＲＭＳ）的大口径空间窗镜。其二是要有特殊的光学表面质量要求。空间窗镜的工作寿命在很大程度上取决于窗镜表面的微裂纹。采用了特殊工艺对表面微裂纹进行处理。模拟试验的结果表明这些方法是有效的。     

实时测量的X射线针孔相机信号强度估算

 对用X射线CCD作测量设备的在线针孔相机信号强度进行了估计。利用激光原型装置柱腔能谱曲线、PI-SX1300型号X射线CCD的量子效率曲线分别对在CCD加Be滤片和加不同材料的平面镜两种情况下的针孔相机成像获得的Ｘ射线信号在CCD上的信号强度计数进行了估算,结果表明：厚度不大于200 μm的Be滤片只能将信号强度的计数降低一个量级;3°入射的金平面镜,5°入射的镍、碳平面镜和硅平面镜虽然也可将信号强度计数降低一个量级,但这两种衰减方法得到的强度计数超过了CCD的饱和计数值。计算了不同厚度的Be滤片结合平面镜的针孔相机对信号强度计数的衰减情况,结果表明：Be的厚度在20～40 μm时,平面镜选择3°入射的金平面镜或者5°入射的镍平面镜,两者结合可以较好地衰减信号。     

离子辅助沉积大口径传输反射镜面形控制研究

 针对大型激光系统中光束质量低和波前畸变等特点,采用离子辅助电子束蒸发技术成功实现对多层膜残余应力的精确控制。通过分析氧化铪、氧化硅单层膜残余应力变化规律,研究了离子源束压、束流参量对膜层折射率、残余应力性质及大小的影响。540 mm×340 mm×60 mm规格大口径传输反射镜面形PV值达到0.5λ(λ=632 nm),小光束损伤测试情况下,样品元件的损伤阈值大于30 J/cm2(N-on-1,1 064 nm,5 ns),利用该技术制备的大口径传输反射镜已获得成功应用。     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

基于微变形反射镜的TEM00模式控制

分析了连续面形薄膜微变形反射镜的结构,提出了一种简化的变形镜球面分析模型,用该模型分析含有变形镜的谐振腔,导出了TEM00模式强度与曲率半径的严格表达式,并使用Matlab软件对其进行了仿真分析.结果表明增大变形镜的曲率半径能够增大TEM00模式的输出强度.搭建含有变形镜谐振腔的实验光路系统来控制TEM00模式输出,观测到类似的输出变化.     

角隅全反镜谐振腔激光器的输出特性

 在高功率脉冲气体激光器中，用角隅反射镜作为全反镜，平行平面镜作为输出镜构成角隅全反镜谐振腔。对角隅腔激光器的输出特性和抗失调稳定性进行了研究，并与平凹腔和平平腔激光器进行了比较。实验结果表明：在角隅全反镜失调角为16 mrad时，角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降9.2%，且近场输出光斑没有明显变化；而凹面全反镜失调角仅为0.4 mrad时，平凹腔激光器输出能量下降了9%，近场输出光斑严重变形。在输出镜正前方3.12 m处测量，当角隅镜偏转16.3 mrad时，激光器输出光斑与标准状态时的输出光斑重合；凹面全反镜失调角为0.4 mrad时，激光器输出光斑位移14 mm。经模式仪分析表明，角隅腔激光器近场光强分布均匀。     

利用倾斜镜对太阳像作平场处理

提出一种利用高速倾斜反射镜对太阳像进行平场处理的新方法。介绍了此方法的原理和实际工作过程，并给出了实验结果。结果表明，应用高速倾斜反射镜可以非常有效地对太阳像进行平场处理，提高太阳像成像质量。     

Comparison of different types of secondary mirrors for solar application

Two-stage solar concentrators make solar beams downwards providing flexible choices for energy utilization. Five types of secondary mirrors (a flat mirror, an ellipsoidal mirror, a hyperboloidal mirror with upper/lower sheet and a paraboloidal mirror) are compared. Effects of geometry parameters and concentrator precisions on the optical performance are analyzed using Advanced System Analysis Program. The results indicate that concentrators with a flat mirror or hyperboloidal mirror with lower sheet are more sensitive to rim angle or relative location. The secondary mirror is better a convex surface especially when rim angle is more than 90°. A flat mirror or hyperboloidal mirror with lower sheet performs better with higher redirect focal points. A hyperboloidal mirror with upper sheet is the best however numerical aperture changing. The intercept factors decreased with the increase of random errors or optical errors. Both the fabrication and assemblage requirements for a concentrator with a hyperboloidal mirror with lower sheet are the strictest. Experiments are carried out based on a hyperboloidal mirror with upper sheet. The experiments results are in accordance with the ray-tracing results. Therefore, further studies on optimization of the two-stage concentrators using the ray-tracing model can be conducted.     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

玻璃基底Wolter-1型X射线聚焦镜研制及测试

Wolter-1型X射线聚焦镜可将掠入射的X射线反射至焦平面处,具有较强的成像探测能力,在天文探测等领域中具有重要作用.通过建立几何模型对反射镜面及反射光线方程进行理论计算,推导出了适用于以玻璃为基底材料的聚焦镜设计参数方程,可用于对此类聚焦镜进行理论设计,依据理论设计,采用具有极高表面光洁度的超薄肖特D263T玻璃经热弯成型后作为反射镜基底,在反射镜表面制备金属铱薄膜作为反射膜研制了Wolter-1型反射镜组,并使用激光三维扫描仪对所研制的聚焦镜片面型进行了测试.测试结果显示,实际镜片面型与理想镜片面型公差在10 μm以内的测试点占总测试点的50%.通过搭建可见光条件下的焦斑测试系统,使用图像采集相机采集焦斑的灰度图像,通过图像分析软件分析计算该灰度图像的灰度分布来定量分析焦斑的能量分布情况,从而确定焦斑特性参数.实验结果显示：研制出的聚焦镜片焦距为1.6 m,焦斑的半能量包围直径为0.33 mm,对应角分辨率为0.7角分.     

Φ1m平面镜的力学分析及实验研究

空间太阳望远镜(SST)的装校需要一个倒置的直径为1m的平面镜,此平面镜的面形精度决定了SST的装校成败。平面镜的支撑采用滑轮砝码机构,具有18个牵引点,每个牵引点的牵引力是独立可调的。在此支撑下,利用有限元分析方法分析了平面镜的变形情况,提出了用主动光学原理对牵引力大小进行优化的方法,计算出了保持平面镜具有良好面形时所需要的牵引力的大小。采用Ritchey_Common方法对平面镜进行了测量。测量结果表明,平面镜面形精度的均方根值优于λ/30(λ=633nm),满足了SST的装校要求。