大口径光学元件检测中的主要误差及其影响

使用PSD作为大口径光学元件的质量评价标准,标定了测试系统的传递函数,并讨论了在对ICF驱动器中所使用的光学元件进行检测时产生的几种主要误差,分析了这些误差在进行计算和分析时可能造成的影响以及消除的方法。     

大口径光学元件检测中的主要误差及其影响

 使用PSD作为大口径光学元件的质量评价标准,标定了测试系统的传递函数,并讨论了在对ICF驱动器中所使用的光学元件进行检测时产生的几种主要误差,分析了这些误差在进行计算和分析时可能造成的影响以及消除的方法。     

大口径光学元件中频波前的检测

大口径光学元件中频波前的准确评价已成为高功率激光系统中关注的焦点,元件中频波前均方根值是重要评价指标之一。根据波前中频检测频段及波前检测设备频响特性,将波前的中频区域分为两个检测频段,分别采用干涉仪和光学轮廓仪实现了中频波前均方根值的检测。采用大口径干涉仪可实现全口径波前中频区域低频段波前的检测,通过比对大口径干涉仪和采用小口径干涉仪结合分块融合平均方法的检测结果,提出采用分块融合平均方法也可检测相应频段全口径波前均方根。采用光学轮廓仪通过离散采样的方法检测大口径元件中频区域高频段波前均方根,针对不同离散采样方式的实验结果表明：33的采样方式能满足对410 mm410 mm口径元件中频区域高频段波前均方根的检测。     

机械手修正大口径非球面环带误差

在大口径非球面加工中,采用能动磨盘进行加工,加工效率较高,但能动磨盘加工也会存在着些问题,如严重的边缘效应因为磨盘和工件不能完全的吻合,加工后会存在环带误差和局部误差,表现为镜面的误差分布不对称,也就是通常所说的存在着严重的慧差。在能动磨盘加工后,可以采用机械手小工具对工件的环带进行平滑去除镜面局部高点,修正镜面环带误差,使得镜面误差成对称分布,可以更好地利用能动磨盘进行加工。介绍了机械手小工具的结构,通过实际的加工情况建立小工具磨盘的去除函数模型,并进行了仿真计算。通过与实际去除环带的实验对比,理论仿真和实际加工吻合较好,取得了显著的修正效果。     

基于经验模态分解-Wigner分布的光学元件中频误差识别

对于大尺寸高精密光学元件,不仅要对光学元件表面低频面形精度和高频粗糙度进行控制,还需要严格限制中频误差,以保证其使用性能和稳定性。为了确定光学元件的不合格区域并指导其返修,引入经验模态分解(EMD)和Wigner分布(WVD)函数方法,通过理论分析确定该方法与功率谱密度函数间的关系,实现对光学元件表面中频误差的辨识与定位。实验结果表明：EMD-WVD方法不仅可以识别分布在实验光学元件表面15~27 mm空间频率为0.1 mm-1的中频误差,还可以减小多分量信号所引起的空间频率为1.0~1.5 mm-1的交叉项干扰,提高中频误差辨识的准确率。     

基于经验模态分解-Wigner分布的光学元件中频误差识别

对于大尺寸高精密光学元件,不仅要对光学元件表面低频面形精度和高频粗糙度进行控制,还需要严格限制中频误差,以保证其使用性能和稳定性。为了确定光学元件的不合格区域并指导其返修,引入经验模态分解(EMD)和Wigner分布(WVD)函数方法,通过理论分析确定该方法与功率谱密度函数间的关系,实现对光学元件表面中频误差的辨识与定位。实验结果表明:EMD-WVD方法不仅可以识别分布在实验光学元件表面15~27mm空间频率为0.1mm-1的中频误差,还可以减小多分量信号所引起的空间频率为1.0~1.5mm-1的交叉项干扰,提高中频误差辨识的准确率。     

六自由度气囊抛光机器人模态分析与中频误差抑制北大核心CSCD

针对六自由度串联式关节机器人气囊抛光系统因刚度不足引起的加工振动以及引入中频误差的问题,以IRB 6700机器人作为研究对象,基于Ansys Workbench建立模态分析模型,并结合实验分析机器人气囊抛光系统工况频带内动态特性,实验与仿真结果共同表明,机器人气囊抛光系统在工况频带至少存在5阶模态,且共振时机器人末端抖动幅值为mm级,机器人加工严重受限。同时针对机器人气囊抛光系统先进光学元件抛光工艺应用,设计一种阻尼抑振气囊工具头,与普通气囊工具头进行定点抛光与整面抛光对比实验。结果表明:抑振气囊头定点抛光斑粗糙度与频谱幅值普遍低于普通气囊工具头,引入的中频误差较一般气囊工具头低40%,抛光优化效果显著。     

二元光学元件制作误差分析与模拟

从标量衍射理论出发，首先从理论上计算出多台阶二元化学元件发生深度误差时衍射效率的解析式，然后以４台阶和８台阶闪耀光栅为例，对二元光学元件套刻制作中的主要误差及其这些误差之间的相互影响进行了系统的分析和计算机模拟研究，模拟结果给实际制作提供了重要理论指导和实验参数。     

大口径平面光学元件超精密加工技术的研究

为了解决激光核聚变装置中大口径平面光学元件的批量制造难题,将先进制造技术和传统抛光技术相结合,提出了一种新的工艺方法,即使用ELID(在线电解)磨削代替传统的铣磨和初抛工序,以提高生产效率。利用数控抛光将工件抛光至最终的面形精度,以提高生产效率和减少边缘效应。将连续抛光作为最终加工工序,使加工工件的表面粗糙度和波纹度达到工程要求。实验证明这一新的工艺方法是可行的。     

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明:磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。1     

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明：磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。1     

磁流变加工驻留时间对中频误差的影响

针对磁流变抛光过程中的中频误差的控制,进行了驻留时间与中频误差影响关系的研究。对基于矩阵法得出的驻留时间进行分析,驻留时间矩阵沿抛光头的进给方向的起伏波动性,反映在抛光过程中速度的不连续性,会引入一定的中频误差。提出通过滤波算法使驻留时间沿抛光轮进给方向更加平滑,即相邻两点的速度更加接近,抛光轮只需要很小的加速度和很小的时间内即可完成整个加速过程,从而降低这种速度的波动性带来的误差。通过计算机仿真和实验验证,给驻留时间一个很小的扰动,会使残差的功率谱密度（PSD）曲线发散,而滤波后的驻留时间算法在不失真的情况下,在一定程度上抑制了中频误差。     

光学表面非均匀中频误差的评价与修正

针对光学元件使用过程中中频误差将导致光学元件的激光破坏这一问题,提出一种中频误差突出频率提取方法。采用基于统计学的多样本数据处理,对于每一种采样方向都可以得到数个较为突出的不合格频率。利用这些频率进行确定性加工后,在特定方向,空间频率0.044 1 mm-1,0.085 8 mm-1,0.041 7 mm-1所出现的不合格次数分别降至加工前的23.9%,18.3%,29.2%,而整体中频误差减少至50.1%。结果表明,此方法降低了由光学表面中频误差方向性与局部性引起的不确定性。     

光学元件中高频PSD2误差的实验研究

光学元件的中高频误差一般采用功率谱密度（PSD）表示,其划分为PSD1和PSD2两个频段。针对目前国内外研究较少的PSD2频段误差,分析和实验研究了其潜在的影响因素。采用沥青和聚氨酯盘抛光熔石英元件的实验结果显示：小工具数控相比传统全口径抛光并未增大PSD2误差,而抛光盘材质对PSD2误差具有决定性的影响。沥青盘在抑制PSD2误差方向具有较好的优越性,工件表面的PSD2指标能够满足要求,而聚氨酯抛光元件表面的PSD2误差则较高。针对这一问题,提出采用固结金刚石丸片修整聚氨酯垫,通过细化金刚石颗粒获得了合格的PSD2指标。     

环形抛光中频误差的计算模拟北大核心CSCD

通过建立环形抛光的去除模型,从理论上分析了转速比、槽形、元件摆动对于抛光结果的影响,并分析了中频误差产生的原因。模拟结果表明:转速比的差异会产生较大的低频误差,而中频误差会随着低频误差的降低而降低;槽形是中频误差的主要来源,复杂的非对称不规律槽形使抛光路径复杂化,降低中频误差;同时元件的小幅度摆动能够使抛光更加均匀,减小定心式抛光造成的元件表面规则状纹路结构,从而有效减小元件的中频误差。     

抑制孔径间距误差影响的相干场成像质量提升方法研究

相干场成像基于激光发射孔径间距相等、频谱相等的基本假设, 迭代计算频谱重建高分辨图像, 实际应用中不可避免的激光发射孔径间距误差是影响成像质量的重要因素. 针对发射孔径间距误差造成的成像质量下降问题, 提出一种抑制孔径间距误差影响的成像质量提升方法. 首先分析了孔径间距误差对激光回波频谱和成像质量的影响机理; 推导得到了频谱误差迭代模型; 理论上构建了孔径间距误差对信号频谱和成像质量的零影响条件方程; 提出一种线性规划方法求解成像质量零影响条件方程, 得到孔径间距误差最优化分布矩阵; 实际应用中基于该最优化误差矩阵合理分配各孔径间距误差, 就可抑制孔径误差对成像质量的影响. 实验验证了该方法的正确性和有效性. 结果表明: 该方法可提升成像质量评价指标斯特列尔比近1倍; 所提方法可便捷有效地抑制孔径误差对成像质量的影响. 该研究为实际相干场系统成像质量的提升和发射阵列孔径间距精度设计提供了理论指导.     

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。