宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、具有严重的色散不均匀性,进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型,获得了满足直视结构的棱镜组合,并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素：棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大,入射角度对其影响比较小,并提出改善色散线性的方法,获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件,从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。在工作波段为400~1 000 nm、中心波长偏向角为0°、最大色散角为0.6°、光谱仪系统数值孔径NA为0.18、光谱分辨率为5 nm条件下,实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计,最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明,理论计算结果与实际仿真结果基本相符。     

超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性

为了确定超光谱成像仪热控指标和开展热设计,研究了超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性。介绍了超光谱成像仪的工作原理以及热光谱特性的含义,分析了棱镜的环境热效应,论述了棱镜热光谱特性研究内容及技术路线,推导了温度变化时棱镜偏转角以及角色散的函数关系,进一步得到光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律。借助有限元分析,比较了K9、熔石英两种材料的棱镜的入射角、顶角、材料色散、光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律,确定了棱镜的热控指标,并设计了热光谱试验。理论分析和试验结果表明由于热变形引起的光谱带宽和光谱分辨率改变可以忽略不计,光谱平移主要由材料折射率温度系数决定;棱镜材料色散(dn/dλ)对温度变化不敏感,因此温度变化对其光谱带宽影响不明显; 本文研究方法合理,结果可信,对确定棱镜的热控指标和优化热设计具有指导意义。     

用于色散补偿的反射型棱栅的色散分析

利用角色散和材料色散得到了反射型棱栅的二阶、三阶色散完整的解析表达式,与光线追迹法的结果能很好地符合,利于工程中棱栅的设计.系统分析了温度、棱栅结构参数对其色散的影响.结果表明,温度、棱镜材料折射率、插入量、棱栅间距对棱栅色散影响很小.而入射角、光栅常数、棱镜项角等对色散的影响很大,可以调节上述参数来改变棱栅的色散,从而补偿放大介质等材料色散.     

Sagnac棱镜角公差与干涉光谱仪光谱分辨率的关系分析

根据干涉成像光谱仪光谱分辨率对角向差的要求,通过对实体Sagnac干涉仪结构和光路进行分析,从三个相互垂直的方向出发,研究了光谱分辨率和棱镜角公差之间存在的关系;并推导了满足光谱仪光谱分辨率要求的实体Sagnac干涉棱镜的角公差公式;用实例说明了关系式的应用方法,如果不考虑棱镜变形引起的色散及棱镜的面型误差和付氏镜的残余像差的影响,而只考虑棱镜的角误差对光谱分辨率的影响,则通常情况下干涉棱镜的角公差要求较严,约20″以内.     

基于Herriott型多通结构的块材料展宽与棱栅对色散补偿的啁啾脉冲放大

本文报道了基于块材料展宽与棱栅对压缩的飞秒啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification,CPA)系统.展宽器采用基于Herriott型多通结构的块材料作为色散元件,压缩器采用透射光栅与色散棱镜组合的棱栅对,由于它可以同时提供负的二阶和三阶色散,通过优化光栅刻线与棱镜顶角,可以实现对放大器中材料的三阶色散完全补偿,获得更窄的压缩脉冲.实验中,将展宽后的脉冲注入到环形再生腔中进行放大,放大后的脉冲由棱栅对压缩到39.6 fs,非常接近傅里叶变换极限的35.2 fs.由于采用块材料展宽器和棱栅对压缩器,整个放大系统非常紧凑,可作为后续放大以及超快现象研究的可靠光源.     

分析双Amici棱镜角度误差对色散的影响

双Amici棱镜为复合棱镜结构,作为成像光谱系统中的分光元件,避免了单棱镜色散结构存在的多种问题。双Amici棱镜的加工生产要对其各个角度提出生产指标,而角度误差对于光谱成像系统的色散性是有影响的。针对一种编码孔径成像光谱仪,设计了符合性能指标要求的双Amici棱镜,并从光线追迹的角度出发,计算得到双Amici棱镜色散的数学模型。针对给出的一特定光学系统中的棱镜结构推导了棱镜各个角度单独对线色散的影响,并分析给出各个角度构成的误差链对线色散的综合影响,最终给出了棱镜的生产指标。分析结果有助于指导系统中该棱镜的加工生产。     

可调谐激光器腔内色散棱镜及其组合

分析了色散棱镜的特性及其顶角设计问题。讨论了色散棱镜和扩束棱镜在布鲁斯特角入射状态下，可组合使用的形式及单程角色散。提出将色散棱镜与扩束棱镜组合使用，可减少色散棱镜个数而获得更大角色散的方法。并据此设计了两个色散棱镜组，在Ｔｉ∶Ｓ激光器中得到实际使用。     

采用双石英棱镜对的掺钛蓝宝石自锁模激光器

给出了双棱镜对二、三阶色散的解析式。报道了采用双石英棱镜对的掺钛蓝宝石自锁模激光器的实验结果，获得与理论分析一致的结论。     

脉冲染料激光振荡器的色散问题

本文通过理论推导给出了脉冲染料激光器由多块不同棱镜构成的扩束系统和光栅组合后多程色散的通用计算公式。同时本文也指出光栅与棱镜组合的正确光路安排,从而加大整个系统的色散,减少输出线宽。     

大口径旋转偏摆棱镜径向支撑优化设计

支撑方式对大型光学元件的镜面变形及应力集中具有重要影响。以大口径、非均匀质量分布、二维旋转棱镜为研究对象,综述了多点支撑和面支撑方式,提出了可调分段面支撑方法,并给出具体的方案设计。系统地分析了面支撑方式下棱镜的运动过程,得到最危工况。采用两步优化方法对该工况下的支撑夹角进行优化,优化后棱镜运动过程中的最大变形峰谷值与最大等效应力值相比优化前分别减小了7.40%和11.45%,支撑效果得到了明显改善,验证了该支撑方式的合理性及可行性。     

Wolter-I型聚焦镜热变形数值研究

为了给聚焦镜热控及支撑结构优化设计提供依据,对爱因斯坦探针项目中的后随X射线望远镜的镜片组进行了三维全尺寸建模与有限元分析.研究了轴向、径向两种温度梯度,以及有、无支撑结构对镜片组形变的影响,并对面形误差与温差范围的关系进行了探究.结果表明:对于无支撑结构,轴向温度梯度下面形误差与半径关系接近线性关系,径向温度梯度下则接近分段二次关系;支撑结构发生热变形时,会使镜片组产生与之对应的面形误差,令同相圆度误差转变为异相圆度误差,并使镜片组整体面型误差峰谷值增加32.25%~123.01%,均方根值增加4.13%~5.14%;对于有支撑结构,热致面形误差与温差成正比,温差每增加1℃,轴向温度梯度下,面形误差峰谷值与均方根值分别增加7.76μm、1.12μm,而对于径向温度梯度则分别增加9.67μm、1.60μm.聚焦镜片热致面形误差在一定情况下与镜片尺寸、温差成线性关系,并受到支撑结构变形的显著影响.     

精密光束偏离装置棱镜组件的光机热分析

以精密光束偏离装置的棱镜组件为有限元模型,进行了光机热集成分析.对棱镜组件的结构强度进行了校核,分析了机械载荷作用下的镜面变形;通过模态分析,给出了装置的动态特性和镜面面形振动幅值的变化情况;最后对棱镜的热弹性变形进行了分析,对棱镜的光学性能进行了评价.结果表明：棱镜组件的最大变形在10 nm量级,最大应力为0.403 MPa,应力和应变相对于结构的准确度要求和材料的许用应力具有较大的裕度;前后棱镜组件的固有频率都大于550 Hz,装置具有良好的动态性能;通过对比棱镜在热-结构耦合分析和机械载荷下的分析结果,说明热效应对棱镜表面变形的影响远远大于机械载荷的影响.装置使用时必须采取严格的温控措施.     

X切H:LiNbO3光波导的工艺仿真研究

对于X切H:LiNbO₃光波导,在532 nm和1310 nm波长下,用棱镜耦合器进行了工艺仿真研究.对于在150℃,180℃和200℃用苯甲酸质子交换的光波导,分别求得交换厚度与交换时间的关系曲线,在此基础上给出质子交换的扩散系数与交换温度的关系曲线.对于在180℃质子交换并在350℃退火的光波导,给出以交换时间(交换厚度）为参变量的表面折射率增量、有效厚度与退火时间的关系曲线.研究结果可供低损耗α相单模波导的设计和制备做参考.     

强流二极管阳极靶温度和热形变模拟

以电子束在靶中的能量沉积剖面为桥梁,建立了二极管阳极靶温度和热形变模拟方法。该方法可获知二极管不同工作状态下靶的温度分布和热形变情况,为靶热-力学损伤研究提供基础数据,为二极管构型设计和寿命提升提供技术支撑。将该方法应用于“强光一号”短γ二极管,计算结果显示:当阳极离子密度大于1014 cm?3时（强箍缩）,靶表面温度最高可达5500～6000 ℃,热形变量达约4.5 mm;无离子流时（弱箍缩）,温度处在4500 ℃左右,形变为2.8～3.5 mm。     

激光器腔镜夹持方式对热变形的影响

 分析了当前大功率激光器腔镜采用的几种夹持方式特点，采用有限元软件计算了腔镜不同夹持方式下的镜面热变形和镜体最大应力，并对两种夹持方式下的应力破坏进行了分析。发现夹持方式对大功率激光器腔镜镜面变形影响很大，镜体边界沿径向固定的压圈法效果优于沿轴向固定的弹性压板法。     

多谱线He-Ne激光器中棱镜组件的热变形研究

拉曼散射分析通常使用多谱线He-Ne激光器作为光源。通过建立多谱线He-Ne激光器腔内棱镜组件的有限元模型,并进行热变形分析,得到了棱镜组件的热变形位移结果。讨论了在棱镜角度改变时多谱线He-Ne激光器输出谱线的变化情况,通过实验进一步验证了仿真结果的准确性。结果表明:多谱线He-Ne激光器长时间工作会使温度升高,严重影响其腔内棱镜的偏转角度,使得其输出谱线发生一定的漂移。当腔内温度继续升高到一定值时会导致激光器不出光,此时,应当采取散热装置或者温度控制措施。     

Research on wavefront error of prism induced by thermoelastic distortion

To meet the design and usage requirements of the precision light beam scanner, the thermoelastic distortion of prism is detailedly analyzed by the thermal-structure coupling method, the influence of which, on the surface deformations of prism, is conclusively proved far greater than that of only the gravity load without temperature fluctuation. With the temperature fluctuation from 20 to 20.5 ℃, the strains as well as the stresses appropriately eightfold increase, which right accords with the actual results measured by Zygo Mark interferometer with the error of not over 10%. Therefore some strict temperature-controlled measures are necessary for the scanner.     

Finite element analysis on a circular wedge prism with 400 mm diameter

The paper comprehensively analyzes the distortions of a circular wedge prism with 400 mm diameter in a scanner by method of optical-mechanical-thermal integrating analysis. The structure and intensity of the prism assembly is verified and checked, and the surface deformations of the prism under gravity load, as well as the thermo-elastic distortions of the prism, are analyzed in detail and evaluated, which is finally contrasted with the measured values of Zygo Mark interferometer. The results show: the maximal distortion of the prism assembly is 10 nm magnitude and the maximal stress is 0.441 Mpa, which has much tolerance to the precision requirement of structure and the admissible stress of material; the influence of heat effect on the surface deformations of prism is proved to be far greater than the influence of gravity load, so some strict temperature-controlled measures are to be considered when the scanner is used.     

国产光学设备棱镜高效制造技术的工艺参数

介绍的棱镜高效制造技术工艺参数 ,是在使用国产光学加工设备的条件下依靠工装夹具的精度来保证棱镜的角精度 ,采用工装夹具上刚性盘和靠体翻转加工的方法来实现高效生产 ,由此确定的技术参数。并对高效加工的前期准备条件和要求 ,及为适应工艺要求而对机床进行的局部改进也进行了介绍     

二氧化碳探测仪典型透镜支撑结构的设计及分析

为了降低外界载荷和温度变化对二氧化碳探测仪光学系统透镜面形及共轴的影响,根据系统的特点和技术要求,对其典型透镜的支撑结构进行了研究,设计了一种径向挠性支撑结构并建立了3D实体模型。运用工程CAD分析软件,采用非线性有限元分析方法对其进行了动静刚度特性和热特性仿真分析,验证了支撑结构设计的合理性。分析结果表明,透镜结构组件的一阶固有频率为1 301 Hz;利用面型拟合,得到了各工况下镜面面形误差值为PV≤λ/10,RMS≤λ/50,偏转误差≤1″。该径向支撑结构能很好地保持透镜共轴精度,减小了温度变化对镜面变形的影响,各项结果满足设计要求,证明了结构设计的合理性。