基于双目标识别和准直数学模型改进的光路自动准直方法

针对原有大型激光装置在双光学目标条件下无法实现光路对接准直的缺点,本文提出了一种基于双目标识别和准直数学模型改进的光路自动准直方法,主要从双目标识别算法实现和多光路、双目标准直数字模型的构建两个方面进行优化。首先,提出基于圆拟合的双光学目标识别图像处理算法,实现了双光学目标的识别,为光路对接准直的成功提供保障;其次,构建新的多光路、双目标自动准直数学模型,为光路准直中各个准直参数的标定和计算提供指导;最后,优化准直流程的调度,对多个光路进行并行准直,提高光路对接准直流程的效率。实验结果表明：本文提出的基于圆拟合的双光学目标识别算法实现了光路对接准直流程中的模拟光目标和主激光目标的识别,识别误差精度小于3个像素,处理时间小于1 s,满足了大型激光装置光路对接准直过程对于精度和效率的要求。本文构建的基于多光路、双目标自动准直数学模型对于光路对接准直流程的成功具有指导意义。     

4程放大光路自动准直系统研究

 激光束光路自动准直系统用于神光 Ⅲ原型装置光束精密准直。针对神光-Ⅲ原型的总体要求和主光路，结合光路自动准直的关键技术，充分考虑了其4程放大主空间滤波器的4个小孔空间分布和光学位置的特点，利用小孔像传递的原理，设计出一套优化、合理的4程放大的光路准直总体方案，并且在多程放大实验平台上得到了充分的验证和考核。     

火炮平行性测量系统的设计

火炮瞄准轴和炮膛轴的平行性直接影响火炮弹着点的散布,是需要检测的重要静态参数之一。火炮平行性测量系统基于准直方法而设计,它以右炮管中心轴线为基准,设置与基准轴平行的瞄准光路和两条准直光路,分时对准左炮管、统调镜和瞄准镜,测量它们的轴线与右炮管中心轴的平行度。该系统能够实现35mm双管火炮的近距离单人操作目视测量,也可实现实时自动判读功能。误差分析表明,该系统的测量精度可以达到70″以内,满足设计要求。     

双光路成像干涉定心系统设计

在光刻投影物镜镜片加工和装配时,为了满足磨边定心和装配定心阶段对镜片测量的量程、灵敏度和准确度不同的需求,本文提出了一种双光路准直成像复合干涉的定心方法,采用同一光路实现准直和干涉两种不同的测量方法,分别针对磨边定心和装配定心的测量需要.根据实际需要设计了测量系统的参量,根据该参量对系统的测量范围、灵敏度和准确度进行了理论分析.结果表明:该系统在准直测量阶段的测量范围从1μm到500μm,测量灵敏度最高为0.2％,测量准确度为1.02 μm;在干涉测量阶段的测量范围从0.01 μm到1.9 μm,测量灵敏度最低为0.1％,测量准确度达到0.2 μm,可以满足在磨边定心阶段大量程、低灵敏度、低准确度以及装配定心阶段小量程、高灵敏度、高准确度的定心要求.采用双光路成像干涉原理的定心系统满足了设计需求,可指导光刻投影物镜等高准确度物镜的生产和装调.     

高压衍射光路的准直与散射背底屏蔽

在同步辐射高压X射线光路中,通过建立准直系统屏蔽来自金刚石的康普顿散射和实验环境中的杂散光,有效地降低了散射背底.通过两次专用光期间的测试表明,准直系统对于信噪比的提高有较为显著的效果,使以前不能进行有效测量的一些高压样品可以得到较好的能量色散X射线衍射数据,并为进行MPa压力下的原位测试提供了有效的手段.     

双光路成像干涉定心系统设计

在光刻投影物镜镜片加工和装配时,为了满足磨边定心和装配定心阶段对镜片测量的量程、灵敏度和准确度不同的需求,本文提出了一种双光路准直成像复合干涉的定心方法,采用同一光路实现准直和干涉两种不同的测量方法,分别针对磨边定心和装配定心的测量需要.根据实际需要设计了测量系统的参量,根据该参量对系统的测量范围、灵敏度和准确度进行了理论分析.结果表明:该系统在准直测量阶段的测量范围从1μm到500μm,测量灵敏度最高为0.2%,测量准确度为1.02μm;在干涉测量阶段的测量范围从0.01μm到1.9μm,测量灵敏度最低为0.1%,测量准确度达到0.2μm,可以满足在磨边定心阶段大量程、低灵敏度、低准确度以及装配定心阶段小量程、高灵敏度、高准确度的定心要求.采用双光路成像干涉原理的定心系统满足了设计需求,可指导光刻投影物镜等高准确度物镜的生产和装调.     

上海光源准直测量方案设计

 上海光源在准直测量方案设计中面临的最大挑战来自于松软地基及高精度的定位要求。上海光源的准直过程分为控制网测量、元件标定、预安装准直、现场安装及平滑测量5个关键步骤。采用激光跟踪仪和静力水准系统等测量手段,将控制网精度设计为0.08 mm,其余步骤精度达到0.05 mm,以保证相邻共架机构的准直精度达到0.12 mm,优于0.15 mm的设计指标。方案在注重精度指标的同时,还兼顾了可靠性、测量效率、费用及实时监测的可能性。     

冷却储存环主环磁铁的准直测量

 采用激光跟踪仪及配套带软件Insight对兰州重离子加速器冷却储存环主环磁铁进行了安装和准直。首先建立全局坐标系，用来确定从源体到实验环各子系统的理论原点的位置；而各个子系统又分别以各自的理论原点为基础建立局部坐标系，用来安装定位本系统内的各个元件；对各个子系统中的每一个元件还采用了元件坐标系。准直测量时，先在每块磁铁上焊接8个测量基准；然后对磁铁上的基准进行测量，以确定其在元件坐标系中的位置；再架设激光跟踪仪，测量主环控制网点，恢复主环局部坐标系，根据元件在主环局部坐标系中的位置及理论坐标，计算出相关的变换参数；转入元件坐标系，采用激光跟踪仪及Insight 软件显示实时测量坐标及其与理论值之差，其精度达到0.15 mm。     

激光雷达系统快速准直的方法和光学装置

 研制了一种能够方便、快速调节激光雷达收发光路准直的光学装置,分析了装置楔角的选取要求、准直误差及其相应的矫正方法。该装置结构简单,主要由两个楔形光学平板组成,通过电机转动两个楔板可使出射光束方向在一定范围内任意改变,该调节范围由楔板的楔角和折射率决定。利用折射定律,严格推导了装置中两个楔形光学平板的旋转角度与出射光束方向之间的关系。提出了将该光学装置插入到激光雷达发射光路,采用螺旋式粗扫、圆形和径向细扫相结合的光束扫描方式实现对激光雷达准直的方法,并给出了系统准直调节过程中的判断准则和具体的准直步骤。     

冷却储存环主环磁铁的准直测量

采用激光跟踪仪及配套带软件Insight对兰州重离子加速器冷却储存环主环磁铁进行了安装和准直。首先建立全局坐标系，用来确定从源体到实验环各子系统的理论原点的位置；而各个子系统又分别以各自的理论原点为基础建立局部坐标系，用来安装定位本系统内的各个元件；对各个子系统中的每一个元件还采用了元件坐标系。准直测量时，先在每块磁铁上焊接8个测量基准；然后对磁铁上的基准进行测量，以确定其在元件坐标系中的位置；再架设激光跟踪仪，测量主环控制网点，恢复主环局部坐标系，根据元件在主环局部坐标系中的位置及理论坐标，计算出相关的变换参数；转入元件坐标系，采用激光跟踪仪及Insight 软件显示实时测量坐标及其与理论值之差，其精度达到0.15 mm。     

激光光斑漂移的检测

针对激光光斑漂移设计了一套光斑漂移检测系统。利用该系统实现了对He-Ne激光器出射光束漂移的检测。它采用CCD摄像头和图像采集卡采集激光器输出光斑，通过专门软件对数字图像进行处理，得出光斑漂移的大小；另外，利用几何光学方法得到了激光光束在X方向、Y方向以及空间立体角上的漂移大小。分析了引起光束漂移的原因。结果表明：He-Ne激光器出射光束的指向主要受温度、环境振动、空气扰动和激光器自身结构的影响。该系统能准确地测量出激光器出射光束的漂移大小，实现光束漂移的控制。     

漂移量反馈控制式激光准直方法

提出一种集光纤准直与光束漂移量反馈控制准直技术于一体的激光光束准直方法 ,它是在单模光纤对激光器出射光束漂移量进行初级准直的基础上 ,进一步对光束的漂移量进行反馈控制 ,进而提高出射光束的方向稳定性。准直系统中利用漂移量分离光路和光电检测系统对光束的平漂量和角漂量进行了分离检测 ,并各自构成相应的光束空间平漂量反馈控制系统和光束空间角漂量反馈控制系统 ,减小了平漂量和角漂量反馈控制中的相互耦合。引入单模光纤使激光器与光束漂移量反馈控制准直系统相隔离 ,减小了激光管热源温度变化等因素对准直系统的影响 ,同时还便于准直系统使用中的安装布置。上述方法的应用 ,提高了准直精度及准直效率。实验表明目前该方法准直精度可达 0 .7× 10 -7rad。     

基于Wollaston棱镜的大角度液晶光束偏转系统

设计了一种能够应用于空间光通信的大角度高精度光束偏转系统。系统采用液晶空间光调制器(LCSLM)实现小角度光束偏转,采用多Wollaston棱镜级联实现角度放大。介绍了LCSLM和Wollaston棱镜的光束偏转原理,并对大角度高精度光束偏转系统进行了仿真分析。仿真结果表明系统能够实现角度范围为±13.25°的光束偏转。国内首次提出运用Wollaston棱镜来实现大角度的光束偏转。     

半导体激光光栅外腔光谱合束压窄光谱的理论研究

介绍了一种减少半导体激光器阵列光栅外腔光谱合束(SBC)整体光谱展宽的方法,通过加入一组变形棱镜对传统光谱合束结构进行了改善。变形棱镜的作用实现减小半导体激光线阵输出光斑宽度,减小入射到光栅上的入射角度进而减小整体的光谱线宽。采用发光单元宽度为100 m、周期为500 m、由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术的理论推导及软件模拟,得到了光谱线宽为3.2 nm。与通过增大柱透镜焦距来减小光谱线宽的方法相比,此方法的优势是保证了整体光谱合束的整体结构在500 mm以内,使得各个发光单元有足够反馈量,抑制光束间串扰,保证合束后的光束质量和效率。     

Transient calorimetric diagnostics for plasma processing

We present a detailed study of the Gaussian laser propagation through a dielectric system composed by two right angle prisms. We investigate the transition between the spatial coherence limit, which exhibits wave-like properties and for which the resonance phenomenon can be seen, and the decoherence limit, which exhibits particle-like properties and for which the multiple diffusion occurs. We also analyze the tunneling at critical angles. In our numerical analysis, we shall use BK7 and Fused Silica prisms and a Gaussian He-Ne laser with a wavelength of 632.8 nm and beam waists of 2 mm and 200 μm.     

多自由度误差同时测量中的滚转角测量方法

提出了一种滚转角误差测量的新方法,该测量方法能够实现与其他自由度误差测量相集成,构成多自由度同时测量系统.系统采用带温控的半导体激光器单模光纤组件作为光源,有效降低了激光器本身的光线漂移,为测量提供高精度高稳定性的基准光线;采用特殊棱镜作为测量的敏感单元,通过此棱镜出射光线的直线度测量,间接实现滚转角误差测量.实验过程和数据表明,测量系统具有很好的稳定性和重复性,通过与电子水平仪的对比实验,验证了该方法的可行性,测量精度约为2".     

直角棱镜平面反射衰减在激光光束诊断中的应用研究

论述了普通光学元件-直角平面反射镜在激光光束诊断中的应用,提出了利用直角棱镜的直角面反射进行光能衰减,详细论述了采用该方法进行光能衰减的可行性,分析了平面反射衰减法在激光束诊断中对测光束的影响,讨论了激光束发散角在直角面反射中的影响,结合半导体光束诊断进行了应用分析.实验证明,该方法结构简单,误差小,调整方便,利用普通反射棱镜直角面衰减即可满足激光强度的匹配要求,实现了待测激光束的无失真取样,达到了很好的测试效果.     

Dispersion theory of multiple-prism beam expanders for pulsed dye lasers

The single pass dispersion of multiple-prism beam expanders of interest for practical pulsed dye laser cavities is calculated. The theory is extended to enable evaluation of the overall (outward and return pass) dispersion of multiple-prism-grating combinations. It is found that although the contribution to overall dispersion from the prisms can be minimized (though not eliminated for practical expanders) by arrangement of the prisms in compensating pairs, it is in any case small (≈2%) compared to the contribution to dispersion from the grating in practical cavities. Formulae for dispersion of multiple-prism-grating combinations including up to four prisms arranged in additive or compensating configurations are given; the dispersion of an arbitrary number of prisms arranged in conjunction with a grating can also be calculated. The implications for output linewidth of pulsed dye lasers incorporating prism beam expanders are discussed.     

高能COIL偏振态的实验研究

 通过两块楔镜补充衰减和中性衰减片相结合的能量衰减方法,测得了功率密度为20 W/mm² COIL的偏振态。采用角反射器作为稳定腔折返装置,提高了激光能量分布的均匀性。激光光束分别以45°的入射角入射到两块楔镜上,被楔镜反射后,垂直通过中性衰减片,最后进入偏振态测试仪。实验结果表明：在腔内没有任何偏振选择器件和不加外部电磁场的情况下,采用折叠式稳定腔的横流双模块氧碘化学激光光束呈现部分偏振性质,而且在出光过程中偏振度逐渐降低。     

Generation of a radially polarized laser beam by use of a conical Brewster prism

To generate a radially polarized laser beam we designed and fabricated a new Brewster optical element that consists of convex and concave conical prisms. The lateral surface of the convex conical prism was coated with a dielectric multilayer (SiO2 and Ta2O5) to enhance polarization selectivity. By combining two prisms we obtained a conical Brewster prism without beam divergence owing to refraction. A radially polarized TEM01* (R-TEM01*) mode laser beam was demonstrated when this prism was used inside a Nd:YAG laser cavity.