高精度瑞奇-康芒检测法研究及测试距离精度影响分析

为实现高精度瑞奇-康芒法检测,利用检测系统光瞳面与被测平面镜二者间的坐标转换关系,结合最小二乘法直接对测得的系统波像差进行恢复,通过两角度检测分离由光路调整引入的离焦误差,得到更为精准的平面镜面形。分析光路中测试距离对坐标转换关系以及瑞奇角求解精度的影响,根据仿真分析结果确定实验方案。实验中采用两角度检测,对测试波前进行恢复并分离系统调整误差后,最终得到被检平面镜面形,结果峰谷(PV)值为0.182λ、均方根(RMS)值为0.0101λ,对比干涉仪直接检测结果 PV值为0.229λ、RMS值为0.013λ,PV检测精度优于λ/20,RMS检测精度优于λ/100,实验结果证明了此种面形恢复方法的有效性以及测试距离精度分析理论的正确性,从而实现了瑞奇-康芒法高精度检测。     

气动驱动渐变厚度变曲率反射镜技术

在完善基于有限元分析的跨平台综合优化流程的基础上,获得了反射镜最优结构参数,并通过21阶Zernike多项式面形拟合得到球差是导致反射镜形变过程中面形精度退化的主导像差模式.根据有限元优化得到的最优结构参数研制了第二块气动驱动渐变厚度变曲率反射镜样片(口径135mm,中心厚度8mm,初始曲率半径2 807mm)并进行了曲率变化能力及面形精度保持试验研究.研制工艺的改进使本文所研制的变厚铝合金反射镜初始面形精度优于λ/80(632.8nm),当驱动气压达到约0.07 MPa时,反射镜中心形变量接近37μm并且去掉球差影响后的面形精度可以优于λ/40(632.8nm).与前期所研制的第一块样片相比,第二块样片的中心形变能力以及面形精度保持能力均显著提升.     

基于奇偶函数法的绝对检测实验研究

针对平面干涉检测技术的检测精度受限于参考面面形精度的问题,提出使用基于奇偶函数的高精度绝对检测方法消除干涉系统中参考面面形误差的影响。对旋转角度误差与旋转偏心误差对绝对检测方法测量精度的影响进行了仿真分析。利用商用菲索干涉仪,设计和分析了绝对检测精度实验及重复性实验。仿真结果显示:旋转角度误差在达到0.13°时,测量误差PV值为0.000 1λ;旋转偏心误差达到3 pixel时,测量误差PV值为0.005λ。实验结果显示:测得实际样品的绝对检测精度PV₁₀值为0.041 5 λ,RMS值为0.008 7 λ,小于常规干涉检测所得结果;对同一平面两次独立的绝对检测结果进行点对点作差处理,从而获得残差图,其残差图PV₁₀值为0.004 λRMS值为0.000 5 λ。实验结果表明了该方法的高重复性和有效性。     

自重变形对超高精度Fizeau干涉仪的光学性能影响

为实现λ/100峰谷值(PV)的光刻投影物镜面形检测精度要求,深入分析了自重变形对大口径超高精度Fizeau干涉仪的光学性能产生的影响.设计的球面标准具结构,其系统波像差达到λ/1000(PV)、像方数值孔径(NA)值为0.36,用于口径超过300 mm的球面镜面形检测.使用Patran/Nastran软件通过有限元方...     

基于多次平移的平面绝对检测仿真

将待测面形表示为多项式的和,通过分别沿x,y向多次平移待检光学元件得到移动前后待测元件面形差,采用最小二乘法拟合多项式系数,得到待检光学元件的绝对面形。推导了多次平移法的理论公式,并进行了仿真实验,模拟了移动次数、移动间隔和采样点数对测量精度的影响。仿真结果表明:待测平面与初始平面残差图的均方根值为5.118×10~(-13)λ,理论误差达到高精度平面面形检测要求。     

BiFeO3纳米粉的制备、结构表征及铁磁特性

采用溶胶-凝胶法成功地制备出BiFeO₃纳米粉,利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）测量分析了其结构与形貌,结果发现：胶体经700℃烧结2—25 h后,形成了30 nm左右的较纯相BiFeO₃粉末,该样品为六角晶系,R3-m［166］空间群,晶胞参数为a=b=05580 nm,c=06939 nm,其（101）面晶面间距为0396 nm左右,（ 关键词： 溶胶-凝胶法 3纳米粉')" href="#">BiFeO₃纳米粉 结构表征 铁磁特性     

基于轻量化校准反射镜的旋转平移干涉绝对检验技术

光学干涉绝对检验技术能够实现参考面和待测面面形的有效分离,是对干涉仪进行精度标定的有效手段。面向大口径平面干涉仪的校准需求,旋转平移法仅需一块透射平晶和一块反射平晶,避免了额外加工第3块平晶的成本和难度。但随着口径的增大,自重和支撑使得反射平晶在平移和旋转多种状态下的变形较大,继而影响绝对检验精度。提出设计轻量化的校准反射镜作为反射平晶,采用旋转平移法实现大口径干涉仪的绝对检验。以Φ1 500 mm平面干涉仪作为标定需求,采用碳化硅作为校准反射镜材料,以三角形轻量化结构和6点背部支撑方式进行轻量化设计,控制其质量仅为93 kg,支撑和重力引入的面形变形PV值为9.75 nm。将变形面形叠加至PV值λ/4、不同分布的加工面形进行旋转平移绝对检验仿真计算,对旋转对称程度低且包含较多高频成分的面形,检验精度为λ/30;而对分布平滑对称的面形,检验精度可达到λ/50。因此,为了实现对于大口径平面干涉仪λ/50精度的标定目标,要求碳化硅校准反射镜加工面形PV值低于λ/4,尽量避免高频成分,旋转对称程度高。     

1.8 m空间长条反射镜柔性支撑技术研究

1.8 m×0.5 m口径的长条形主反射镜是某空间离轴三反光学系统的重要光学元件,其面形精度的好坏是决定光学系统在轨成像质量的关键。为保证主镜组件结构的稳定性、可靠性及反射镜的面形精度,提出一种适用于大尺寸长条形反射镜的双轴柔性支撑结构。首先,基于运动学等效原理提出双轴柔性支撑的初始结构,建立了柔性环节刚度数学模型并研究了其刚度特性。然后,对柔性支撑的安装位置进行了参数化研究并对柔性支撑的关键尺寸进行了优化设计。最后,确定了反射镜组件的最终设计方案。仿真与试验结果表明,反射镜组件一阶固有频率为104 Hz。X/Y两个光轴分别对径向施加1 G重力时面形精度RMS值分别为4.81 nm、6.09 nm,优于λ/50（λ=632.8 nm）,均满足设计要求。组件正样动力学环境试验表明,反射镜组件的动力学特性良好,柔性支撑系统稳定可靠,与仿真结果一致。目前反射镜全口径面形精度已加工至λ/30 RMS,并在此精度下进行了自重0°/180°的±1 G面形检测试验,结果显示其稳定性良好。     

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。     

大口径非球面元件磁流变加工稳定性研究

重点分析了非球面元件磁流变加工的动态稳定性影响因素。设计了非球面元件的自动装调定位系统,提高了装调精度。采用一种拟合光栅式加工的新方法来验证其效果,通过测量元件表面形成的直线沟壑深度、宽度波动比例来评价去除的动态稳定性。在400 mm×400 mm口径的方形非球面元件上进行面形收敛验证实验,波长λ为632.8 nm时,加工后的透射波前误差PV值达到0.331λ,低频透射波前梯度误差GRMS值达到了0.008λ/cm。     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。     

Measurement of large aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry

A new method for testing aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry is introduced.It can test large-aperture and large-relative-aperture aspheric surfaces at high resolution, low cost, and high efficiency without auxiliary null optics. The basic principle of the method is described, the synthetical optimization stitching model and effective algorithm are established based on simultaneous least-square fitting. A hyperboloid with an aperture of 350 mm is tested by this method. The obtained peak-to-valley (PV) and root-mean-square (RMS) values of the surface error after stitching are 0.433λ and 0.052λ (λis 632.8 nm), respectively. The reconstructed surface map is coincide with the entire surface map from null test, and the difference of PV and RMS errors between them are 0.031λ and 0.005λ, respectively.This stitching model provides another quantitive method for testing large aspheric surfaces besides null compensation.     

光学镜面离子束加工去除函数工艺可控性分析

实验分析了离子束加工去除函数的工艺可控性问题并进行了初步修形实验。从工艺实现的角度分析光学镜面离子束加工技术对去除函数的要求,以去除函数环半峰全宽、体积去除率和峰值去除率为评价指标研究去除函数的长时稳定性、线性性、小扰动鲁棒性以及大参数调节变化等特征,以此分析结果为依据,对Φ100mm K4平面样件进行了修形,经过三次迭代面形RMS误差从0.149λ收敛到0.013λ。实验结果表明:离子束加工中的去除函数具有较长时稳定性,去除量对时间具有线性关系,对工艺参数小扰动的鲁棒性,可以通过调节离子源电源参数优化选取去除函数的宽度和幅值;利用离子束可以对镜面进行高效地修形。     

光纤激光相干合成中两种相位控制方法的比较

主振荡功率放大器(MOPA)相干合成是实现大数量光纤激光器相干合成的一条有效途径,而相位控制是其中的关键。对MOPA方案的两种相位控制方法——外差探测法和多抖动法进行了比较分析。并在此基础上,提出了一种新的相位控制方法。新方法增加了相干合成的光束数目,降低了实验操作难度。通过Matlab软件仿真表明,采用新方法进行64路光束相干合成时,相位均方根误差小于0.08λ,而使用多抖动法进行30路光束相干合成时,相位均方根误差为0.15λ。     

Calibration of geometrical systematic error in high-precision spherical surface measurement

Geometric aberrations in interferometric testing system can significantly influence the measurement results in the case of high-numerical-aperture test spherical surface, in which obvious high-order aberrations introduced by wavefront defocus could be observed and they cannot be removed with the traditional calibration method. A technique based on the rigorous model for the analysis of geometric aberrations introduced by wavefront tilt and defocus, is presented for the calibration of the corresponding geometrical systematic error. The calibration method can be carried out either with or without a prior knowledge of the spherical surface under test. The feasibility of the proposed method has been demonstrated by computer simulation, and the residual error less than 0.001λ is obtained. Experimental validation is carried out by testing a high-numerical-aperture spherical surface with the ZYGO interferometer, and an accuracy RMS about 0.003λ with the proposed calibration technique is achieved. The effect of geometric aberrations on the measurement is discussed in detail. The proposed calibration method provides a feasible way to lower the requirement on the adjusting precision of mechanical device, and is of great practicality for the high-precision measurement of high-numerical-aperture spherical surface.     

用双计算全息图检测凹非球面

为实现对凹非球面的高精度检测,提出并设计了一种二元纯相位型双计算全息图.设计的双计算全息图由主全息和对准全息两部分组成,分别用于检测非球面和精确定位主全息.介绍了双计算全息图的工作原理及其设计方法,并给出了一个检测Φ140、F/2抛物面反射镜的双计算全息图设计实例,实验得到的均方根(RMS)误差为0.062λ.通过分析对准全息的误差,推导出主全息的条纹位置畸变误差,最后计算出其综合误差为0.06A.为验证实验结果的可靠性,将其与平面镜自准直检测结果(ERMS=0.062A)比较,结果二者吻合良好.     

薄镜面面形主动校正技术研究

采用12个主动支撑点对口径400 mm薄实验镜进行面形主动校正,使用Zygo干涉仪测量面形误差,主动支撑点的力促动器由位移促动器和力传感器组成。分别测量单个促动器的响应函数,由各促动器的响应函数组成刚度矩阵,然后用阻尼最小二乘法计算各支撑点的校正力。实验中分析主动支撑结构对各项Zernike形式像差的校正能力,并选择了7项像差进行校正。经过5次校正,使初始状态下1.16λ(λ=0.632 8μm)RMS面形精度达到0.13 RMS,接近镜面抛光后的精度。     

大口径粗糙球面的检测

 为了解决大口径光学元件在精磨阶段的检测问题,基于电磁场散射理论,分析了在红外干涉仪测量粗糙表面过程中,所产生干涉条纹的对比度与粗糙表面粗糙度之间的关系,并通过测量不同粗糙表面对这一结果进行了实验验证。利用红外干涉仪测量了280#精磨粗糙球面（Φ=1130mm,R=3600mm）的面形,讲述了测量大型粗糙球面时干涉仪的调整方法。从测量结果可以看出,此粗糙球面具有比较明显的球差,面形峰谷（PV）值为0.526λ(λ=10.6μm),均方根（RMS）值为0.117λ(λ=10.6μm)。     

Ce2Fe16Al化合物在居里温度附近的磁性和磁熵变

研究了具有菱方Th2Zn17型结构的Ce2Fe16Al化合物在居里温度TC附近的磁性和磁熵变.实验结果表明，在居里温度附近样品的磁特性符合二级相变规律，样品的居里温度为2758K.通过磁化强度与磁场和温度关系的测量，计算出临界指数β=044±001，γ=130±001，δ＝383±001，临界指数β，γ，δ基本满足标度率方程γ＝β（δ-1)，但偏离三维Heisenberg模型的理论值.Ce2Fe16Al化合物的磁熵变在居里温度处达到峰值，2T外磁场下的最大磁熵变为195J/kg K. 关键词： Ce2Fe16Al化合物 临界指数 磁熵变