自由旋涡气动窗口自适应光学波前校正初步研究

 自由旋涡气动窗口能有效地替代高能激光器传统晶体输出镜，起到密封激光器低腔压的作用。利用现有的37单元室内自适应光学系统，对自由旋涡气动窗口的输出激光波前畸变进行自适应光学波前校正。给出了自适应光学系统对气动窗口畸变波前的校正原理，采用直接斜率法在设计状态下对畸变波前进行了校正实验。结果表明，该自适应光学系统能够较好地校正工作在设计状态下的自由旋涡气动窗口对输出激光所引起的波前畸变。     

自由旋涡气动窗口自适应光学波前校正初步研究

自由旋涡气动窗口能有效地替代高能激光器传统晶体输出镜,起到密封激光器低腔压的作用。利用现有的37单元室内自适应光学系统,对自由旋涡气动窗口的输出激光波前畸变进行自适应光学波前校正。给出了自适应光学系统对气动窗口畸变波前的校正原理,采用直接斜率法在设计状态下对畸变波前进行了校正实验。结果表明,该自适应光学系统能够较好地校正工作在设计状态下的自由旋涡气动窗口对输出激光所引起的波前畸变。     

用哈特曼法研究自由旋涡气动窗口光束质量

 利用37单元哈特曼波前传感器实验研究不同工作条件下不同时刻自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响。将高速CCD所采集的畸变激光波前传送给高速波前处理机，采用模式法对其进行波前重构，进而计算给出畸变波前的波像差峰谷值、波像差均方根和斯特列尔比值等相关光学参数随气动窗口工作条件不同的变化曲线。结果表明，自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响主要是光束偏转和离焦，特别是气动窗口工作在设计状态时，其余低阶及高阶像差都比较小，能够满足实际需要。哈特曼波前传感器能很好地用于自由旋涡气动窗口对激光波前影响的二维动态测量，并能给出波前畸变的各项Zernike多项式的模式系数得到畸变波前，直接为气动窗口与强激光发射系统的对接和波前校正提供数据。     

用哈特曼法研究自由旋涡气动窗口光束质量

利用37单元哈特曼波前传感器实验研究不同工作条件下不同时刻自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响。将高速CCD所采集的畸变激光波前传送给高速波前处理机,采用模式法对其进行波前重构,进而计算给出畸变波前的波像差峰谷值、波像差均方根和斯特列尔比值等相关光学参数随气动窗口工作条件不同的变化曲线。结果表明,自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响主要是光束偏转和离焦,特别是气动窗口工作在设计状态时,其余低阶及高阶像差都比较小,能够满足实际需要。哈特曼波前传感器能很好地用于自由旋涡气动窗口对激光波前影响的二维动态测量,并能给出波前畸变的各项Zernike多项式的模式系数得到畸变波前,直接为气动窗口与强激光发射系统的对接和波前校正提供数据。     

用远场法研究自由旋气动窗口的光学特性

 采用He-Ne激光,对穿过自由旋气动窗口的远场聚焦光斑进行图象采集和数据处理,研究本气动窗口对透过其输出通道的激光束所带来的偏转和随机抖动现象,计算分析气动窗口对激光束发散特性的影响,定义和实验研究气动窗口的光束质量β因子。同时,分析讨论气动窗口对激光束远场聚焦光斑光强分布的影响,并提出气动窗口光束质量和气动窗口设计的进一步研究思路。     

扩压器入口面积比对自由旋涡气动窗口性能的影响

针对采用主动式扩压器的自由旋涡气动窗口,实验考察了扩压器入口面积比对扩压器压力恢复性能及自由旋涡气动窗口密封性能的影响。结果表明：入口面积比是影响扩压器压力恢复性能的重要因素;通过优化扩压器入口面积比,可以提高气动窗口密封压比和稳定性。主动式扩压器比传统扩压器具有更小的最佳入口面积比,使气动窗口射流更接近于理想自由旋涡射流;主动式扩压器最佳入口面积比约为2.03。在最佳入口面积比情况下,扩压器内端壁吹气临界驻室压力最低,外端壁吹气压力对密封压力基本没有影响。     

用远场法研究自由旋气动窗口的光学特性

采用He-Ne激光,对穿过自由旋气动窗口的远场聚焦光斑进行图象采集和数据处理,研究本气动窗口对透过其输出通道的激光束所带来的偏转和随机抖动现象,计算分析气动窗口对激光束发散特性的影响,定义和实验研究气动窗口的光束质量β因子。同时,分析讨论气动窗口对激光束远场聚焦光斑光强分布的影响,并提出气动窗口光束质量和气动窗口设计的进一步研究思路。     

自由旋涡气动窗口全流场的数值模拟

建立自由旋涡气动窗口全流场仿真模型,对大密封压比气动窗口的全流场展开数值研究,得到自由旋涡气动窗口的流场结构,发现大密封压比气动窗口形成的自由旋涡射流在光束输出通道内无明显的波系结构.根据模拟结果对自由旋涡气动窗口的性能进行优化,对自由旋涡喷管上壁面型线进行二次粘性修正.优化自由旋涡射流场后,激光器输出光束通道内压力分布稳定上升;增加扩压器外端壁吹气1.19MPa、内端壁吹气1.68MPa时,自由旋涡射流总能提高,气动窗口密封压力从37.5torr降低至6torr.该研究结果对自由旋涡气动窗口技术的发展具有参考意义.     

大密封压比超音速自由旋气动窗口设计与试验研究

 介绍了横向超音速自由旋气动窗口设计方法,分析了单级气动窗口难以实现大密封压比的原因。针对气动窗口扩压器入口气动参数分布特点,提出了一种扩压器带端壁吹气的气动窗口设计方案并进行了试验验证,气动窗口密封压比达到了85。结果表明：扩压器入口端壁吹气是一种有效提高气动窗口密封压比的技术措施,内端壁吹气对密封压比影响较大,外端壁吹气对密封压比影响较小。     

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9 m的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40 m。利用光束传输因子（BPF）对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9μm的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

点衍射干涉仪波面参考源误差及公差分析

为了保留光纤点衍射干涉仪容易对准以及衍射光束易于控制的优点,同时又能实现大数值孔径（NA）光学系统的检测,设计了一种新型的波面参考源（WRS）,它保留了光纤点衍射和微孔点衍射的优点,可满足大NA极紫外光刻物镜系统波像差检测的要求。本文在分析各种误差的基础上,搭建了WRS原理光路并对WRS的系统误差标定算法进行详细的研究,得到WRS标定时旋转平台的角度公差为0.5°,跳径时偏离系数为0.5%。这一新型WRS误差分析及标定对于实现高精度的检测具有十分重要的意义,最终为实现WRS系统误差标定提供理论基础。     

Studies on the Aero-optical Phenomena of Free-vortex Aerodynamic Window′s Jet

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｏａｔｔａｉｎｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｇａｓｄｙｎａｍｉｃｌａｓｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｌａｓｅｒ ,ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｇａｓｆｌｏｗｔｏｒｅｍｏｖｅｗａｓｔｅｈｅａｔｉｓｒｅｑｕｉｒｅｄ .ＥｓｐｅｃｉａｌｌｙａｔａｎａｖｅｒａｇｅｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｅｎｓｏｆｋＷ ,ｏｎｌｙｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇａｓｆｌｏｗｃａｎｅｎｓｕｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｈｅａｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ .Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｌａｓｅｒｇａｓｍｅｄｉｕｍｏｆ…