平面光学镜低温温度场和热变形分析方法

在综合分析了温度场和热变形理论分析方法的基础上,提出了对空间光学系统中平面光学反射镜进行有限元分析具体方法;介绍了温度场特性经典理论,并对径向温度分布遵循二次规律的表达式作了简单推导;同时介绍了温度变化引起光学表面的Zern ike多项式法和用热力矩分析平面圆形板面形的方法;最后给出了用ANSYS和I-DEAS软件对联合光学元件热变形的计算流程。     

干涉检测中环境温度引起的镜面变形分析

在达到1 nm量级的光学元件表面面形干涉检验时,被检元件由温度变化引起的面形偏差是不能忽略的.分析了干涉检验时存在的各种环境温度情况,对不同情况下被检元件内外温度分布进行了仿真,并将温度场作为静力学分析的载荷条件,进行了镜面温度变形分析.计算出了带支撑的直径为300 mm凸球面透镜在不同温度分布下的镜面变形量,并通过球...     

微透镜阵列加工误差对光学性能的影响

研究了微透镜阵列加工误差对光学系统成像性能的影响规律,寻求利于改善光学性能的面形误差分布。对面形误差与波前像差之间的转换矩阵进行建模,使仿真与计算的波前像差达到纳米级的误差精度,选用具有正交性的Zernike多项式作为光学和机械的接口,表示加工后光学表面的面形误差,并分别作为干涉图数据引入到已设计的子眼透镜表面,量化分析不同位置下畸变、点列图、点扩展函数(PSF)、调制传递函数(MTF)的改变情况。分析结果表明相同形状分布下,面形精度峰谷(PV)值对光学系统畸变和MTF的影响呈现递变规律,并且点扩展函数的二维分布与视场位置存在明显的对应关系;相同面形精度下,向左和中心对称分布的面形误差使得畸变、点列图和MTF在一定相对位置得到改善,而降低了其他相对位置的光学性能。综合考虑各光学参数的变化情况,向右对称分布的面形误差分布对于改善光学系统成像性能有利,为实现成像质量的可控超精密加工制造提供了理论基础。     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

液滴透镜在电场中的变形研究

利用电场作用操控液滴面形获得非球面液滴透镜,并实时检测其光学性能,利用紫外光固化技术使液滴透镜固化得到固体非球面透镜.实验测量了液滴透镜的面形并经过图像处理提取面形轮廓,经多项式拟合得出液滴透镜的面形表达式.比较了不同强度电场作用下的液滴透镜面形,计算了主曲率随电场的变化规律,讨论了液滴透镜在电场中的变形机制|根据透镜面形表达式,采用光线追迹法得出了液滴透镜的焦距随电场的变化规律,结合ZEMAX软件计算了3 550 V时液滴透镜的最大波像差为0.32个波长,Strehl Ratio为0.74,及光学传递函数等参数,计算了所制作的非球面透镜的像差,为低像差非球面透镜的研制提供了依据.     

大口径光学元件磁流变加工驻留时间求解算法

为了解决大口径光学元件磁流变高精度加工问题,基于矩阵运算模型,提出了SBB(Subspace Barzilai and Borwein)最小非负二乘与自适应Tikhonov正则化相结合的驻留时间快速求解方法。同时,在一次收敛中采用双去除函数优化螺旋线轨迹下光学元件的加工,保证中心区域与全口径面形精度一致。仿真表明该算法与常用Lawson-Hanson最小非负二乘法相比,计算精度一致且求解效率大幅提高。对Φ600mm以彗差为主的光学表面模拟加工,峰谷(PV)值和均方根(RMS)值从初始的2.712λ与0.461λ中心区域全局一致收敛到0.306λ和0.0199λ(λ=632.8nm)。因此,提出的算法能够在有效保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,为磁流变抛光应用于大口径光学元件提供有力支持。     

液滴透镜在电场中的变形研究

利用电场作用操控液滴面形获得非球面液滴透镜,并实时检测其光学性能,利用紫外光固化技术使液滴透镜固化得到固体非球面透镜.实验测量了液滴透镜的面形并经过图像处理提取面形轮廓,经多项式拟合得出液滴透镜的面形表达式.比较了不同强度电场作用下的液滴透镜面形,计算了主曲率随电场的变化规律,讨论了液滴透镜在电场中的变形机制;根据透镜面形表达式,采用光线追迹法得出了液滴透镜的焦距随电场的变化规律,结合ZEMAX软件计算了3 550 V时液滴透镜的最大波像差为0.32个波长,Strehl Ratio为0.74,及光学传递函数等参数,计算了所制作的非球面透镜的像差,为低像差非球面透镜的研制提供了依据.     

激光二极管bar侧面泵浦Nd∶YAG激光器热效应研究

从不同侧面泵浦方式的泵浦光强分布出发,依据热传导方程,求解出棒状激光晶体内的温度分布,计算出不同泵浦分布时的理论热透镜焦距,并进行热透镜实验。理论分析和实验表明,随着泵浦方向的增多,晶体内泵浦光强和温度分布越接近于轴向对称分布,热透镜更接近球面透镜。     

光刻物镜中透镜高精度支撑结构的设计及分析

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为实现透镜面形精度均方根(RMS)值优于2nm的高精度指标,提出一种轴向多点挠性支撑、径向三点可调式定位的光学透镜支撑结构。基于自重变形对支撑结构进行优化设计,深入分析在此支撑结构下自重和热载荷对透镜面形影响。结果表明,重力引起的透镜上表面面形RMS值为0.186nm,下表面面形RMS值为0.15nm。热载荷引起的上表面面形RMS值为0.55nm,下表面面形RMS值为0.54nm。采用这种透镜的支撑结构,能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。     

基于双向反射分布函数的目标激光测距方程

导航系统中广泛采用激光测距确定星地间距离,双向反射分布函数可精确描述实际物体反射光的情况,是研究激光测距方程的有效手段。结合目标反射几何模型,计算得到透镜各点接收目标反射光强的表达式。对目标光斑和接收透镜进行网格划分,仿真得到透镜面元接收目标反射的光强分布和透镜接收的瞬时光强,并讨论了平面目标的网格步长选取和计算次数。当光束从不同空间位置入射至平面目标表面时,根据探测器-反射棱镜之间距离与接收光强的对应关系得到激光测距方程的待定参数。实测数据验证了理论计算的正确性。     

金属纳米柱天线的快速电磁分析

基于分段正弦基函数和矩量法,通过求解离散电流节点格林函数的封闭解得到金属纳米柱天线激发表面等离子体的阻抗矩阵.与使用其它基函数矩量法相比,该方法可以减少矩阵方程的维数.仿真结果表明:使用此方法只需求解很小的矩阵方程就可以求解出纳米天线表面极化电流,从而实现对纳米天线的散射特征及谐振模式的快速分析;其结果与时域有限差分仿真结果吻合良好且速度具有显著的优势,尤其在计算斜入射问题时计算优势更加明显.本文的方法对文中计算的模型有效,同样为其他形状纳米柱天线和碳纳米管器件散射特性仿真提供了快速有效的电磁分析方法.     

激光二极管bar侧面泵浦Nd：YAG激光器热效应研究

从不同侧面泵浦方式的泵浦光强分布出发．依据热传导方程．求解出棒状激光晶体内的温度分布．计算出不同泵浦分布时的理论热透镜焦距．并进行热透镜实验。理论分析和实验表明，随着泵浦方向的增多，晶体内泵浦光强和温度分布越接近于轴向对称分布，热透镜更接近球面透镜。     

基于响应函数的大口径衍射元件光场调制分析

针对大口径衍射光学元件快速高精度分析难题，提出了基于响应函数的光场调制分析方法。首先，将衍射元件表面的微结构分解成多个台阶结构；然后，使用严格矢量理论方法计算台阶对入射光场的调制作用，并转化成阶跃响应函数；最后，利用相干合成原理将每个台阶的阶跃响应函数合成为微结构对入射光场的响应。分析了微结构最小线宽、响应函数作用范围和台阶定位误差等对计算精度的影响，并利用所提方法计算了不同口径衍射透镜的近场及远场分布。结果表明，即使存在25 nm的台阶定位误差，透镜远场的最大光强和衍射效率与严格矢量理论计算结果的差异仍然小于2%，同时计算效率提升了至少3个数量级，可见，所提方法可兼顾大口径衍射元件分析的精度与速度。     

多脉冲激光对胶合透镜热破坏效应研究

具有一定强度的激光辐照胶合透镜时可造成透镜的破坏.建立了多脉冲激光与材料相互作用的一维非稳态温度场模型，计算了瞬态温度场分布，并对胶合透镜前表面的熔融和胶合材料的软化进行了数值模拟研究.利用频率为10Hz，脉冲宽度为200ns，峰值功率为20MW的CO₂激光对胶合透镜进行辐照实验研究.实验表明，当激光辐照时间为12s时，胶合透镜前表面发生熔融破坏；当照射时间为30s时，胶合材料发生软化并出现彩色斑纹，透镜完全破坏，理论分析与实验结果相符. 关键词： 胶合透镜 激光辐照 激光破坏     

驻留时间参数优化分析

驻留时间的求解是计算机控制光学表面成形(CCOS)中形的收敛速度和面形精度.提出以面形精度和收敛速度两者加权综合最优的原则,对求解驻留时间的去除系数进行优化,得出其优化式,并对优化式中影响两者权重的系数β进行仿真分析,结果表明口取值[0.1,0.3]时能使驻留时间达到最优.     

基于表面等离激元场的分子反射镜的理论研究

本文提出了一种基于微纳金属膜结构激发的表面等离激元场的分子反射镜新方案,利用中性分子与金属表面垂直方向上蓝失谐消逝波光场之间的偶极力相互作用,实现入射分子束的表面反射.理论计算了表面等离激元场的空间分布,用蒙特卡洛方法模拟了分子在该场中运动的动力学过程,得到了分子反射镜的反射率与相互作用时间和入射光强之间的关系.结果表明:当入射激光脉宽为10 ns,光强为I=1.0×109W/cm2时,纵向温度为10 mK,横向温度为1 mK的碘分子束反射效率达到55.89%,而且反射率随着入射光强的增大而增大.     

硅片表面球形粒子散射研究

为求解硅片表面微小粒子在任意线偏振平面入射光照射下的散射光光强分布,选择了基于Mie散射的杨氏模型为依据,推导了该模型下散射光强空间分布的计算方法,并给出了0.54 μm球形粒子在垂直、倾斜入射下光强空间分布的模拟计算结果,以及入射平面第一象限内散射光强与国外已发表实验结果的比较.     

基于有限单元法和计算流体动力学的光机热集成仿真分析研究

使用计算流体动力学、传热学、固体弹性力学和光学的多物理场耦合集成仿真分析技术完成了红外热像仪中光机的热特性与热设计研究.采用有限单元法(Finite Element Method,FEM)和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)得到了光机内部的温度场、应力变形分布及光学件面形...     

基于拓展分离变量法的层合材料瞬态传热分析

层合材料各层热物理参数不同,难以用常规的分离变量法求解.针对此问题对常规分离变量法进行了拓展,将层合材料受热时的温度场在时间域上分成微小时间段,在每个微小时间段内层合材料交界处的温度可认为随时间正比变化,并假设比例系数,此时在微小时间段内对各层分别利用分离变量法单独求得解析解,根据交界处温度相等能量连续的关系可求出比例系数,进而求出该微小时间段内的温度场,通过循环求解可得整个时间段内的温度场.之后,利用拓展的分离变量法对常用层合隔热材料瞬态传热进行了分析,通过与有限元方法计算的结果比较,验证了本文方法的正确性,分析了隔热材料类型、厚度,材料表面对流换热系数,空气温度等参数对隔热效果的影响.拓展分离变量法利用解析的方式求解了层合材料瞬态传热问题,物理意义比常规的数值方法明确,计算效率也较高.