点光源反射镜法向标校技术

针对基于反射式点光源进行在轨辐射定标过程中反射镜法向标校建模不够完善的问题,提出基于反射镜与相机几何模型的反射镜法向标校及矢量控制算法.通过解算模型求解相机与反射镜间的几何误差,建立了太阳图像质心坐标与反射镜法向之间的关系,可实现多点自动化标校反射镜法向,提高镜法向标校及系统指向精度.实验结果表明,利用解算后的几何模型反解不同时刻质心坐标进行多点反射镜法向标校,相机观测太阳像素角分辨率标准误差分别为:X轴方向0.02165°、Y轴方向0.01982°,综合角分辨率误差为0.02936°,优于太阳观测器对反射镜法向标校精度.实现了相机观测太阳取代人工借助太阳观测器观测太阳的自动化镜法向标校,扩展了标校灵活度,系统综合指向精度优于0.1°,为固定实验场联网自动化集中控制不同能级梯度的点光源阵列在轨辐射定标和调制传递函数检测奠定基础.     

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

 利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例,计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响,并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段,温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的厚度方向温升分布也是如此,很不均匀。     

基于梯度超表面的反射型线-圆极化转换器设计

本文设计了同时具有线-圆极化转换和出射波偏折功能的反射型极化转换器通过六个不同结构参数的改进型十字结构四分之一波片组成一维相位梯度超表面,将此超表面分别在x和y方向进行周期排布,设计了极化转换器.通过理论分析、仿真计算和实验测试,验证了该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内实现了高效线一圆极化转换和奇异反射.仿真并测试了镜面反射率、反射功率密度谱和轴比特性,仿真结果和测试结果的一致性良好,结果表明该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内的镜面反射率小于-10 dB,轴比小于2 dB,而且反射波的偏折方向与理论分析相一致.     

直角棱镜扫描器分析

用旋转直角棱镜系统可以同时替代传统f—θ透镜系统和旋转多面体反射镜两个光学部件,实现高精度的光束恒速扫描。本文对此旋转直角棱镜系统进行了较为全面的分析,主要包括原理分析,线性系数k值的确定,参数误差的影响等,并且给出了一些计算结果。     

GEANT4和FLUKA计算256 MeV质子诱发散裂中子能谱

散裂反应产生的中子能谱等数据是ADS系统设计中的关键参数。由于涉及到的能量范围大、反应道复杂,目前没有完善的评价核数据库可供使用,需要使用合适的核理论模型来进行计算。CiADS （Chinainitiative Accelerator Driven System）即将开始建设,在第一阶段将使用能量约为250 MeV的质子束。利用FLUKA及GEANT4中的BERT_HP、BIC_HP和INCLXX_HP等物理模型列表分别计算了256 MeV质子轰击薄的铝、铁、铅和铀靶后,在7.5°,30°,60°和150°等方向出射的中子双微分截面及轰击厚的铝、铁和铀靶后,在30°,60°,120°和150°等方向出射的中子双微分产额,并与已有的实验数据进行对比。结果表明,FLUKA和INCLXX_HP的计算结果整体上能够更好地符合实验数据。BIC_HP计算的薄靶结果,除铝靶的150°和铅靶的30°外,在5~30 MeV能量范围内要明显高于实验结果,能够达到实验结果的2倍以上。BIC_HP计算的厚铀靶结果在30°和60°方向的5~30 MeV能量范围内要比实验结果高出70%以上,在120°和150°方向的5 MeV以上要高于实验结果的2倍。BERT_HP计算的7.5°和30°方向上铝、铁和铅靶结果在20s100 MeV要比实验结果低40%以上,计算的铀靶结果在20 MeV以下能够达到实验结果的2倍以上。Neutron spectra produced through spallation reaction are key parameters in the design of Accelerator Driven Subcritical Systems. Since the energy span is large and reaction channels are complicated, no complete evaluated nuclear data library is ready for use. Suitable theoretical models are required to calculate the data. The CiADS (China initiative Accelerator Driven System) is going to be constructed in China. At the first stage, the adopted proton energy is about 250 MeV. FLUKA and GEANT4 are used to calculate the double differential cross sections at 7.5°, 30°, 60° and 150° induced by 256 MeV protons bombarding on thin aluminum, iron, lead and uranium targets, respectively. The double differential neutron yields at 30°, 60°, 120° and 150° are also calculated for 256 MeV protons bombarding on thick aluminum, iron and uranium targets, respectively. Three model lists INCLXX_HP, BIC_HP and BERT_HP implemented in GEANT4 are used separately. The calculation results are compared with corresponding experimental data. It is shown that results calculated with FLUKA and INCLXX_HP in GEANT4 fit the corresponding experimental data much better. The calculation results with BIC_HP overestimate the experimental data for thin targets in 5~30 MeV for more than 100%, except for aluminum at 150° and lead at 30°. For uranium target, the results calculated with BIC_HP is greater than the experimental results by more than 70% in the energy range 5~30 MeV at 30° and 60° and by more than 100% in the energy range above 5 MeV at 120° and 150°. In 20~100 MeV for aluminum, iron and lead targets, calculation results at 7.5° and 30° with BERT_HP underestimate the experimental data by more than 40%. And for uranium target, the experimental data up to 20 MeV are overestimated by more than 100%.     

空间相机调焦机构运动同步性误差分析

研究了空间相机调焦机构的运动同步性误差对成像质量的影响。针对某型空间相机的大尺寸焦面调焦机构,分析了运动同步性误差产生的原因。按照其光学系统参数计算得出当系统光学传递函数下降不超过5％时,调焦机构运动同步性误差的最大允许值为0.02 mm。针对其采用的调焦机构,推导出运动同步性误差计算公式,并计算得到该调焦机构的最大运动同步性误差为0.015 mm。最后,对该调焦机构进行了实际测试。测试结果显示,该调焦机构的运动同步性误差在振动实验前后分别为0.012和0.013 mm,表明该机构的运行非常稳定。理论分析以及实验结果证明了该调焦机构完全满足应用要求。     

新型傅里叶变换光谱仪反射镜倾斜容限分析及实验

采用微机电系统微镜阵列和倾斜反射镜替代传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统,提出一种基于微机电系统微镜阵列的新型傅里叶变换光谱仪.介绍了该光谱仪的工作原理,分析了倾斜反射镜倾斜角度的容限范围,并搭建了实验系统,进行了实验验证.理论推导表明:在近红外区域,反射镜倾角理论最大值为0.52°,光谱分辨率达到8 nm;在可见光区域,反射镜倾角理论最大值0.183°,光谱分辨率达到3 nm.选取可见光源488 nm激光器进行的实验验证结果表明:在倾角容限范围之内,光谱能准确还原;反之,光谱严重失真.最终,采用复色光源进一步实验验证了理论分析的正确性.     

折转光管在光电瞄准系统中的应用

介绍了折转光管在瞄准系统中的使用位置、结构、工作原理和装调方法,分析了折转光管安装误差和两块平面反射镜之间的装调误差对方位传递精度的影响。使用MATLAB软件编程、计算、绘制出方位传递误差和高低传递误差的统计直方图,其分析结果为折转光管的装调提供了指导数据。计算分析表明,影响折转光管方位传递误差的主要因素是折转光管中两平面反射镜的装调误差,只要两平面反射镜的装调满足技术要求：方位误差≤4”、高低误差≤0．5’,即使折转光管在3个方向的安装误差极限值达到15°,也可满足折转光管方位传递误差≤10”的设计要求。     

预失真半导体激光列阵技术

相干半导体激光列阵体积小、重量轻,输出能量密度高,非常适于用作对光源尺寸要求苛刻的航天激光光源。为避免随航天器在轨运行的半导体列阵经受变化梯度剧烈的恒星、行星、空间低温热沉的交替加热和冷却的影响,以便能够正常工作,采用潜望式结构设计,将列阵置于舱内,列阵向航天器外输出激光必须经由舱外输出反射镜完成。然而,舱外输出反射镜受周围热环境影响和列阵输出激光束照射,会产生随机热变形,导致输出舱外的激光能量发散;并且,舱外输出反射镜面热变形导致镜面法向偏转,使得输出光束产生较大的指向偏转误差,这极大地降低了能够作用于目标之上的激光束的能量密度,严重恶化输出舱外的光束质量。通过理论推导结合ANSYS有限元分析软件和相关实验,在研究清楚相干半导体激光列阵作为航天激光源的构造、其光场与周围热环境共同作用于舱外输出反射镜的规律与特点后,给出了航天预失真半导体激光列阵激光源技术,通过回波法适时测量舱外输出反射镜引起的波前畸变,处理器配合D/A和高压放大器,驱动驱动器,使舱内添加的反射镜预失真成形,适时使列阵输出产生预失真波前畸变,以抵消舱外输出反射镜的热变形对输出舱外的激光束的影响。相关系统运行实验结果显示,此技术使半导体激光列阵能够适应宇航环境,向舱外输出保障质量的激光束。     

激光核聚变诊断设备双光束交汇瞄准技术研究

 针对惯性约束激光核聚变诊断设备的精确安装瞄准问题,提出一种新的基于双光束交汇瞄准系统。瞄准指示光学系统采用里斯特显微物镜结构,物像距为180mm,放大倍率为10倍,数值孔径为0.25。机械结构设计采用二维指向可调、沿瞄准指示光学系统光轴可以移动的三维调整机构。系统整体占用空间锥角为28°,小于设计要求极限30°。分析了系统的瞄准误差,结果表明该系统的瞄准精度可达到25μm。该系统瞄准精度有望在激光核聚变靶室得到广泛应用。     

移动式多普勒激光雷达光束扫描及风场反演技术研究

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中,考虑到工作平台的随机性,测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系,这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式,并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外,在光束扫描过程中,由于二维扫描仪加工精度等的限制,光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差,结果表明,当水平风速为100m/s时,1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712m/s,方向误差为0.704°,与理论计算结果一致。理论分析结果还表明:当水平风速为100m/s时,1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16m/s,方向最大偏差为1°。     

光束指向稳定性高精度检测方法研究北大核心CSCD

光束指向稳定性是高能激光应用研究中的一项关键指标,光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的重要环节。以长焦距聚焦反射镜与高分辨率CCD(charge coupled device)为主要元件,构建高精度的光束指向检测装置。采用灰度重心法定位光斑中心,并以理想光斑与实测光斑为例进行验证,误差小于1个像元。利用CCD高频采样,统计单位时间内光斑中心位移,获得光束指向稳定性指标,检测实例精度可达1.25μrad。该方法简便易行,测量精度高,适用于各种波长的激光光束指向检测以及其他相关参数的测量。     

星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。     

“神光-Ⅱ”装置第九路靶场终端光学组件的研制

 针对“神光-Ⅱ”装置第九路系统主激光瞄准精度小于等于30 μm和大焦斑辐照均匀性优于10％的要求，提出了靶场终端光学组件的设计结构。应用有限元法对组件关键机械元件和ICF靶室整体进行动静态分析，优化了设计参数。同时与聚焦透镜配合进行数值分析列阵透镜，确定了单元数、曲率和厚度以及单元长和宽等参数。经过实验测试，主激光瞄准精度达到28.9 μm，大焦斑辐照的形状为1 000 μm×500 μm，均匀性为12.0％。     

粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

激光波长合束精度研究

对双光束波长合束精度进行了研究。用镀有特制光学薄膜的滤光片对波长为532和515 nm的两束激光进行合束,并对合束精度进行检测。基于此系统,建立了对应理论模型,并对合束及检测的误差来源和大小进行全面分析。两光束指向稳定性均为50 μrad时,合束精度理论值为14.69″,指向稳定性所占比例为99.26%,系统对质心定位等不稳定因素（误差变化< 3倍）抗性极好,精度变化< 2.4‰;指向稳定性提高到23.51 μrad时,合束精度理论值为7.09″,指向稳定性所占比例为96.77%,系统仍有较高抗干扰能力,精度变化< 1%。分析表明,影响近场小功率合束精度的因素有激光指向稳定性、机械调节和质心定位误差,其中激光指向稳定性是主要因素。通过调节各因素的比例,可对合束的抗干扰能力进行控制。     

大视场反射式激光扩束系统光学设计

激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换,压缩光源的发散角度,可减少在远距离传输中的能量损失。为满足某通信实验需要,设计一种放大倍率为10倍,光源扫描视场为4840的小型扩束系统。系统要求在1 550 nm、1 064 nm、800 nm和632.8 nm激光波段,全视场范围内波像差RMS不大于0.1（=632.8 nm）,且无中心遮拦。通过计算初始结构参数,利用Zemax软件优化,采用4片反射式非球面进行设计,全系统体积约为9010060 mm3,波像差最大为0.095,满足系统尺寸和像质要求,整个系统光能透过率约为92%,满足透过率大于85%的设计要求。     

星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值

 实际星地光通信系统的发射光束为高斯型的情况下,跟瞄误差和大气闪烁是星地激光链路中的主要信道噪声源。在结合两者对系统性能影响的前提下,对星地激光通信链路进行了理论分析和模型建立。基于该模型对星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差之比的优化选择问题进行了研究。结果表明：对于上行链路,在不同误码率需求下都存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值,使得上行链路余量最大;对于下行链路,在不同误码率要求下均存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值,使得下行发射光功率的需求最小。利用最优化方法和最小二乘法拟合,得到星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值和系统误码率的经验公式。     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

Arbitrary direction incident Gaussian beam scattering by multispheres

Based on spherical vector wave functions and their coordinate rotation theory,the field of a Gaussian beam in terms of the spherical vector wave functions in an arbitrary unparallel Cartesian coordinate system is expanded.The beam shape coefficient and its convergence property are discussed in detail.Scattering of an arbitrary direction Gaussian beam by multiple homogeneous isotropic spheres is investigated.The effects of beam waist width,sphere separation distance,sphere number,beam centre positioning,and incident angle for a Gaussian beam with two polarization modes incident on various shaped sphere clusters are numerically studied.Moreover,the scattering characteristics of two kinds of shaped red blood cells illuminated by an arbitrary direction incident Gaussian beam with two polarization modes are investigated.Our results are expected to provide useful insights into particle sizing and the measurement of the scattering characteristics of blood corpuscle particles with laser diagnostic techniques.