标准光学面形的建立与绝对检测

本文提出了一种简单而可行的数字位相分析新方法,适用于在激光数字波面干涉仪上进行高精度光学面形的实时绝对检测。用这种方法已建立了表面精度为λ/50峰谷值的标准光学平面,测量精度达λ/100以上。

面向制造的光学面形超精密测量技术研究进展

超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则,计算机生成全息图(CGH)是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此,面向制造过程,重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题,探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题,论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法,探讨加工原位干涉测量进展。最后,从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。

大功率半导体激光器端面特性改善的研究

针对大电流下前腔面不稳定导致出现灾变性光学损伤(COMD)的问题,提出一种双区电极的半导体激光器,并对该结构激光器的COMD阈值、峰值功率、阈值电流、光谱稳定性及翘曲效应进行研究。在相同工艺条件下测试了单一电极结构和双区电极结构半导体激光器的COMD阈值、峰值功率、阈值电流、波长红移速度等参数。结果表明:在同等工艺条件下,主增益区阈值电流为80 mA,阈值电流降低20%,在窗口区15 mA电流的驱动下,双区电极的半导体激光器对比单电极半导体激光器COMD阈值能够提高13%、峰值功率能够提高12%,同时减少了波长红移并改善了翘曲效应。

光学组件面形检测中激光光斑分割与分类算法的研究

针对光学组件面形检测中激光光斑处理问题,提出了一种激光光斑分割与分类算法;该算法对光学组件面形检测中激光光斑的特点进行了分析,利用延时相关滤波、梯度阈值分割以及基于特征的分类技术,实现了激光光斑分割与分类;实验结果表明,该算法能有效区分光学组件前后表面反射光斑,提取质心重复性高、稳定可靠;该方法已商用于光学组件面形检测系统中。

基于运动学支撑的透镜光学表面面形及其复现性

根据高精度投影光刻物镜的特点,提出了一种运动学支撑结构,并采用实验结合有限元分析的方法研究了该支撑结构引起的透镜光学表面变形以及重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。首先,介绍了运动学支撑结构的原理及镜面变形分析的方法。然后,应用Zernike多项式拟合实测和有限元分析得到的面形,并用两种方法对运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形进行对比,以验证有限元分析模型的正确性。同时,分析了考虑重力情况下运动学支撑结构导致的透镜光学表面变形。最后,用实验的方法测量了运动学支撑结构在重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。实验和分析结果显示,由运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形均方根(RMS)值的实测值为1.004nm,分析值为0.974nm,夹持力及重力综合作用下导致的透镜表面Fringe Zernike拟合面形RMS值为2.538nm,产生的主要像差为离焦、初级三叶像差和二级三叶像差,重复装配过程中引起的透镜光学表面面形的复现性标准差为0.645nm。得到的结果表明,所设计的运动学支撑结构能够保证透镜光学表面面形在重复装配过程中有良好的复现性。

高功率激光光学元件面形参数表征

针对神光Ⅲ原型装置使用的光学元件,基于国内光学元件加工现状,结合空间频段的概念,对高功率固体激光驱动器所需光学元件不同的面形评价参数进行了阐述。结合对激光远场焦斑的影响,对面形评价参数的重要性进行了举例说明。提出了面形的综合评价方式,全面界定面形各项评价参数,对光学元件的评价具有一定的参考价值。

计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量,提出了“光学-机械”基准定位法,建立了位姿测量模型,并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后,采用球形安装的回射器(Sphere Mounted Retroreflector,SMR)、猫眼、基准球作为基准,基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型,得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系,并对3种位姿测量模型进行对比。最后,对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证,实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ,相对误差均小于2.43%,验证了模型的准确性。实验结果表明,当检测距离为1000 mm时,猫眼法的轴向定位误差为24μm;基准球法的轴向定位误差为50μm;SMR靶球法的轴向定位误差为16μm,X,Y方向的定位误差为1μm,滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多,更适用于自由曲面的高精度位姿检测。

大口径光学元件面形检测中重叠激光光斑的分离

在大口径光学元件面形检测系统中,激光光斑的检测及后续处理是基础,直接影响面形检测的精度;针对光学元件面形检测中激光光斑重叠的问题,提出了一种激光光斑重叠分离算法;该算法首先用一种减背景与乘法滤波相结合的方法对光斑图像进行预处理,再用两次阈值法分割图像以获取光斑目标,最后采用距离变换、重叠判别及估算圆心相结合来分离重叠的光斑;实验中,对3种重叠类型不同的光斑进行分离,结果表明,算法能有效地分离重叠的激光光斑;目前,该算法通过长时间的实验验证与改进,已成功运用于实际项目中。

大功率半导体激光器抗腔面灾变性光学损伤技术综述

激光器腔面灾变性光学损伤对大功率半导体激光器的最大输出功率和可靠性有很大的负面影响,是激光器突然失效的主要机制。如何克服腔面灾变性光学损伤,从而获得高性能的大功率半导体激光器成为重要的研究课题。文章首先对腔面灾变性光学损伤的研究历程进行了简要介绍,随后论述了腔面灾变损伤的物理机制及热动力学过程,最后从技术原理、方法、优缺点、改进方法、研究进展及应用现状的角度,逐一对各种抑制腔面灾变损伤的方法进行了归纳和总结。

大功率半导体激光器腔面的光学结构优化

采用转换矩阵的处理方法,对大功率半导体激光器腔面光学灾变阈值与膜层结构的关系进行了分析。从理论上给出了膜层的设计方法和计算结果,解释了不同腔面反射率对应的腔光学灾变阈值变化的实验结果,并首次提出后腔面的优化结构以避免后腔面烧毁。

薄板光学反射面面形变形驱动器集成设计

针对某光学载荷薄板反射面面形调整需求,对一种新型精密微调驱动器开展了集成设计研究。分析了柔性太阳翼冷热交变对敏感载荷的影响,设计了一种基于巨磁致伸缩材料(GMM)的主动补偿驱动器,对驱动器关键部件进行了优化。建立了驱动器的动力学模型,并利用模糊自适应PID算法对其进行闭环控制。仿真结果表明:设计的驱动器能实现较大的行程、较高的定位精度,可用于面形变形补偿。

激光干涉仪检测球面光学零件面形精度分析

文章通过使用激光球面干涉仪对不同光学零件面形的测量从而作出其精度测量的分析,探讨了实验中产生问题的原因,并对实验数据加以讨论,以找出误差产生的规律。

采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接方法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。实验结果表明:单次测量精度为0.11 mm;对10 cm×10 cm的平面靶标上100个点进行两次测量,拼接均方误差为0.34mm。该方法操作简单、可行,并可满足要求。

接触式大型非球面镜面形测量中测量点分布的确定

为准确有效地检测大型非球面光学元件的面形,研究了接触式测量光学元件的测量点分布方式。使用不同密度的径向分布及均匀分布的测量点分别对以不同Zernike多项式表示的面形偏差进行采样,然后计算采样所得面形相对给定面形PV值及RMS值的最大相对误差,并对计算结果进行了分析。对1.8m抛物面镜面形实测结果表明:在镜面加工的成型及粗磨阶段,由于面形偏差主要呈旋转对称分布,低密度径向分布测量点即可满足继续加工的检测需求;在精磨及初抛阶段,面形偏差主要为像散或其它非对称面形偏差,测量点均匀分布是提升测量精度的有效手段。此分析方法可以指导测量点的排布方式,从而确保由测量点分布引入的测量误差小于镜面本身面形误差的1/5,提高检测效率。

光学表面面形偏差分解的一种软件算法

本文给出了一种基于椭球面(单叶双曲面)拟合的软件算法,能将光学表面的面形偏差分解成规则部分和不规则部分,并给予图示.用于面形偏差的定量评定.

采用三维光学测量技术对薄板焊接失稳变形的分析

采用一种新的测试方法——三维光学面扫描测量系统对低碳钢板平板堆焊过程中的失稳变形进行了研究,通过对低碳钢薄板焊前和焊后状态进行测量,得到薄板焊前和焊后的全场面外变形形貌;并结合基于固有应变法的有限元数值模拟,分析可知焊接引起的这种凹-凸变形属于失稳变形.进而采用小孔法进行残余应力测量.结果表明,远离焊缝区存在较大的残余压应力,纵向残余压应力是导致失稳变形的主要作用力.采用三维光学全场测试技术结合有限元数值模拟分析的方法,对薄板失稳变形的机理及影响因素的探究更加深入、准确.

利用光纤干涉法测量光学粗糙面的形状

本文叙述利用由光纤和折射率分布型透镜组成的探测器测量反射表面形状的装置。用光纤端面的反射和测量面的反射构成斐索干涉仪，通过半导体激光光源的电流调制进行相位调制。因为图中用D1所探测的光强度随激光的光强、测量面的光程差。

离轴非球面的条纹反射检测技术

条纹反射测量技术具有动态范围大、灵敏度高的特点,通过高精度的系统标定可以获得很高的测量精度。本文研究将条纹反射测量技术应用于离轴非球面反射镜粗抛光阶段的面形检测,使用激光跟踪仪建立检测系统坐标系,然后将相机和显示屏的实测标定数据代入坐标系并在Zemax软件中建立测量装置的理想模型,通过光线追迹得到理想的屏幕像素点位置,采用相移技术可以得到实测时屏幕像素点位置,从而计算得到被测镜面形的斜率误差,最后积分得到检测结果。文中采用该方法对一块SiC离轴非球面镜进行了实测,并与三坐标测量机的结果进行对比,验证了方法的可行性,可用于指导离轴非球面镜粗抛光阶段的加工。

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2μm和5nm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。