基于光栅色散干涉条纹的菲佐光干涉望远镜共相检测方法研究

菲佐光干涉望远镜实现高分辨率成像的关键是各子孔径之间相位平移误差的共相检测. 基于物理光学基本原理, 论证了两个子孔径在单色光条件下其远场干涉条纹峰值偏移量与其相位平移误差之间的近似线性关系, 提出了一个波长范围内的平移误差检测方法; 进而提出了基于光栅色散干涉条纹的共相检测方法, 并对其可行性、检测精度和检测范围进行了理论分析与仿真实验. 结果表明, 该方法在原理上可以实现对两孔径的相位平移误差进行直接检测, 50 μm范围内平移误差的检测精度优于20 nm, 解决了既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断平移误差正负的问题. 该方法为共相检测技术的进一步研究提供了新的途径和参考.     

基于色散干涉图像的拼接望远镜共相零位标定方法研究

镜面拼接是一种提高望远镜分辨率的有效方法,拼接子镜间的相位平移误差是影响拼接望远镜成像质量的重要因素.针对当前拼接望远镜中的共相问题,提出了色散干涉图像峰值比值为评价函数的共相零位标定方法.以两个子镜为研究对象,对该共相零位标定方法进行了仿真验证,并搭建了两孔径共相零位标定实验平台,验证了基于色散干涉图像的拼接望远镜共相零位标定方法的可行性.实验结果表明,该方法不受2π模糊性问题影响,可在几百微米共相误差范围内以10 nm左右精度对共相零位进行标定,解决了现有标定方法动态范围受限的问题.     

相位平移误差与子孔径自身像差对稀疏光学合成孔径系统成像质量的综合影响分析

稀疏光学合成孔径系统成像质量的提高需要综合考虑子孔径间相位平移误差和子孔径自身像差的影响.本文基于稀疏光学合成孔径系统的光瞳结构,利用傅里叶光学基本原理对系统的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)进行了理论推导,得到了包含相位平移误差和子孔径自身像差分离形式的该类系统的SR指标的理论公式.以两子孔径系统为例,计算并分析了在相位平移误差校正后和未校正时,系统SR指标在不同子孔径像差下的变化规律,研究了相位平移误差与子孔径像差对系统SR指标的综合影响.结果阐明了该类系统的成像质量受相位平移误差和子孔径自身像差双重制约的物理机理,且表明只有将子孔径自身像差校正至某限度内时,相位平移误差的校正才对系统SR指标的提高有明显意义. 关键词： 稀疏光学合成孔径 相位平移误差 像差 成像质量     

万焦耳级激光装置的焦斑诊断

为了评估万焦耳级激光装置不同打靶透镜构型的远场光束质量,采用弱光取样、分束放大成像的探测方法,在横向放大系数相同而光强衰减系数不同的条件下,通过两台16位科学CCD在主瓣光路和旁瓣光路对3ω激光束的焦斑进行采集;基于纹影测量激光焦斑数学模型,获得了动态范围为1 151.7:1的远场焦斑重构图像;并对CCD动态范围、分束光路相对放大系数、系统噪声等因素对焦斑诊断的影响进行了分析.实验表明,该方法能够实现高动态范围远场焦斑的精确测量,对于重构图像的拼接边缘误差小于1 pixel,满足打靶要求.     

拼接镜主动共相实验研究

针对拼接型天文望远镜主镜的共相检测问题,对宽窄带夏克哈特曼检测法在拼接主镜各子镜间平移误差的测量进行了理论与仿真分析,并搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统,其中拼接镜是由4块对边长为100mm、曲率半径为2 000mm的正六边形球面反射镜组成.首先,利用夏克波前探测器进行了拼接镜的精共焦误差的检测,通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器,实现了拼接镜的精共焦的调节;然后通过宽带共相检测实现了粗共相的检测;最后,通过窄带共相检测实现了精共相的检测,并通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器,实现了共相的调节.实验表明:宽窄带夏克哈特曼检测法对拼接子镜平移误差测量量程达到几十微米,共相检测精度达到15nm,满足拼接镜对平移误差的测量要求.     

基于磁流体热透镜效应的阈值可调光学限幅器的理论设计

理论模拟了激光束通过磁流体样品后产生的远场光斑图样,提出了一种阈值可调光学限幅器的实现方案.计算了不同光阑孔径半径和不同光阑样品距离情况下,系统的出射光功率与入射光功率的关系.得出了系统的光学限幅阈值随光阑孔径半径的增大以及光阑样品距离的减小而向高功率方向转移的结论,且限幅阈值与光阑孔径半径之间呈线性关系.定义了描述磁流体样品特征的参量f,发现了系统的光学限幅阈值随f的绝对值增加而减小.本文的结论能为实际的磁流体基可调谐光学限幅器的设计与制作提供有益的参考.     

拼接式望远镜主镜衍射效应研究

拼接式主镜的设计使超大口径望远镜的构想成为现实。为了研究拼接式望远镜的成像性能,精确分析和量化了拼接式主镜构型、平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响,从拼接式光学系统的成像原理出发,基于齐次坐标变换建立了拼接式主镜的光瞳模型,并仿真分析了拼接主镜构型对衍射效应的影响。分析结果表明:对于不同构型的拼接主镜,其衍射效应受拼接主镜的填充因子和孔径间隔共同影响,填充因子越高,孔径间隔越小,系统成像质量越好。以典型的拼接主镜构型为例,分别仿真分析了单个子镜平移误差、倾斜误差和拼接主镜整体平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响。分析结果表明:对于单个子镜,平移误差对远场衍射的影响具有周期性;对于拼接主镜整体,当子镜piston误差的均方根值小于0.039λ时,斯特列尔比大于0.95;当子镜tip-tilt误差的均方根值小于0.036λ时,斯特列尔比大于0.95。分析结果为拼接式望远镜的成像性能分析、主镜的构型设计、平移误差和倾斜误差的检测与调整等提供了依据。     

基于色散条纹传感技术的拼接镜共相方法

针对拼接型望远镜共相难的问题,提出了一种基于色散条纹传感技术的共相误差检测方法。根据色散条纹传感技术的探测原理,给出了色散条纹传感器的光学成像模型,并利用计算机进行模拟研究。为解决色散条纹检测技术在接近共相时失效的问题,提出一种辅助检测方案,即色散哈特曼检测法,并通过仿真验证了该方法的可行性。结合两种方法,色散条纹传感器在可见光范围内能准确检测±60μm以下的活塞误差,检测精度可达λ/10。同时,对一系列影响检测精度的因素进行了定量分析,提出了条纹开窗、多路采集、提高波长标定精度等解决方法,还针对算法提出新的改进方案,降低了标定误差影响。结果表明,该方法可以有效地完成对活塞误差的大量程、无盲区、高精度检测,在空间和地基拼接型望远镜的粗共相标定和相位控制领域有广阔的应用前景。     

基于能动分块反射镜的两路光纤放大器相位探测及其相干合成实验研究

在光纤激光相干合成中,需要探测各路光束之间的平移误差.提出了一种条纹提取算法,利用此算法能得到准确的相位平移扰动.基于此算法,针对两路光纤放大器测量了毫瓦量级的光纤放大器的相位噪声特性,然后采用高速数字处理电路以及能动分块反射镜完成了平移相位扰动的实时校正.实验结果表明,闭环前后条纹对比度从0.09提高到0.25,平移误相位噪声强度的幅值从1053.4 nm降低到116.7 nm,系统校正精度达到1/10λ,控制带宽约为50Hz. 关键词： 能动分块反射镜 条纹提取算法 相位扰动 光纤放大器     

连续相位板远场焦斑能量集中度实验研究

在惯性约束聚变（ICF）研究过程中,焦面上聚焦光斑形态要求极为苛刻。基于离线测试平台,从实验上研究了各种应用误差对连续相位板（CPP）远场焦斑能量集中度的影响。得出光束旋转误差、口径误差、平移误差和倾斜误差在可控范围内CPP远场焦斑能量集中度均高于95%,其波动范围小于0.5%,CPP的容忍度较强。而实验畸变波前属于空间频率小于0.02 mm-1的低频波前,严重影响了CPP的整形能力,波前畸变是影响能量集中度高于90%的主要因素。     

The co-phasing detection method for sparse optical synthetic aperture systems

Co-phasing between different sub-apertures is important for sparse optical synthetic aperture telescope systems to achieve high-resolution imaging.For co-phasing detection in such a system,a new aspect of the system’s far-field interferometry is analysed and used to construct a novel method to detect piston errors.An optical setup is built to demonstrate the efficacy of this method.Experimental results show that the relative differences between measurements by this method and the criterion are less than 4%,and their residual detecting errors are about 0.01 λ for different piston errors,which makes the use of co-phasing detection within such a system promising.     

Theoretical analysis about 2π ambiguity of the piston error in sparse optical synthetic aperture imaging system

In recent years, sparse-optical-synthetic-aperture telescope has emerged as an important developing trend for large-scale telescope, where the correction of piston error among different sub-apertures plays an important role for achieving high resolution. The 2π ambiguity effect is the most important aspect of piston error's influences upon system's far-field intensity, which was theoretically analyzed at first. Then the bi-sub-aperture system was taken as an example to test the correctness of the theoretical model through distributions of the system's far-field intensity. In addition, a theoretical proof was made to get some important properties of piston errors within such kind of system. From the results, it is shown that the 2π ambiguity comes along with any piston error in the system, and this effect stands independent for different piston errors between different pair of sub-apertures. The derivation also provides effective theoretical model for related concerns within such kind of system.     

相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究

相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于λ/20(λ为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.     

拼接光栅的偏差对光束空间特性的影响

用拼接小尺寸多层介质膜衍射介质膜衍射光栅的办法制作大口径的高破坏阈值光栅成为解决拍瓦激光系统输出能量的关键技术———光栅拼接技术。拼接的每个光栅都存在五维自由度的偏差,对激光脉冲的空间特性和时间特性产生影响。用夫琅禾费衍射的方法分析了拼接光栅的偏差对光束空间特性的影响,建立了偏差和远场强度分布之间的函数关系并用数值方法进行模拟,得出角度偏差对光束远场分布的影响可以忽略,而位移偏差:光栅间拼缝和前后位移偏差是影响光束远场分布的关键因素。     

Experimental research on application of Hartmann micro-lens array in coherent beam combination of two-dimensional laser array

We demonstrate experimentally the application of a phase error detection method in the coherent beam combination (CBC) of a laser array. The method is based on the Hartmann micro-lens array. Both the piston and tilt errors can be detected and corrected simultaneously by combining this method with adaptive optics-correcting technology. The far-field intensity pattern of the combined beam has high energy concentration and good beam quality. The power encircled in the main lobe of the far-field pattern is 41.3%, and the contrast of the pattern reaches 81.8%. Experimental results show the great potential of the Hartmann phasing method for use in the CBC of a large number of laser beams.     

High resolution multigrid cross-correlation digital PIV measurements of a turbulent starting jet using half frame image shift film recording

This paper describes a novel approach of acquiring two single-exposed, non-overlapping images using half frame image shift (HFIS) recording on photographic film. This technique permits the recording of two single-exposed, non-overlapping images of seed particles in a flow plane on high spatial resolution film with any arbitrary time delay between exposures. A new multigrid CCDPIV (MCCDPIV) analysis method is used to analyse the single-exposed, non-overlapping sequential images resulting in PIV measurements with a larger velocity dynamic range, lower random error and better spatial resolution than standard CCDPIV analysis. HFIS recording followed by MCCDPIV analysis was employed to measure the spatio-temporal evolution of the in-plane velocity vector and the out-of-plane vorticity fields of a turbulent starting jet at Reynolds numbers based on the orifice diameter and piston velocity of 10,780 and 13,860.     

星载激光测距系统点目标探测方程研究

激光测距系统的最大测程是其主要技术指标和进行系统设计时的主要依据,它随探测目标的性质而发生变化.本文推导并给出了激光测距系统对点目标的实用探测方程.分析了激光远场光束分布对探测能力的影响,并利用所得探测方程对某星载激光测距机的探测能力进行了评估.结果表明由于受到光束质量分布的影响,其探测能力在15.05~20.6 km之间变化.对结果进行了分析和讨论,在不改变系统参量的前提下,如果光束质量为平顶分布,则系统整体探测能力可提高至18.9 km.     

小尺寸平面源的误差精确分析

基于Helmholtz方程的严格远场解和源的“误差面积”描述方法,讨论了大发散角光辐射远场振幅和相位对于源包络扰动的依赖关系,讨论了由于源振幅扰动而产生的远场误差,建立了一种恰当的描述远场误差的方法.模拟实验表明,在“相对误差面积”的基础上,可以结合利用“离轴距离”来精确描述源误差和分析远场误差,利用“判据点”可以判断离轴误差的存在.