激光准直扩束设计和仿真

从哈特曼法自动测量像差所需解决的准直(平行)光束出发,基于高斯光学理论,从工程角度分析了大倍率准直扩束系统的原理,实现了改变激光光束直径和发散角的准直扩束系统的设计,并通过仿真得到了验证,满足了光学系统的哈特曼像差测量要求。

激光准直扩束光学系统研究

结合高斯光束的传播特性,本文提出了一种激光准直扩束光学系统设计参致的确定方法,并给出了自校整空间位移测量仪中准直扩束系统的设计结果。

激光变倍准直扩束系统设计

激光准直扩束系统可应用在激光测距，激光切割，空间光学激光干涉仪等各个领域。其主要作用是通过改善激光束的空间发散角，提高光束的准直性，使激光束达到对孔径的要求。基于无焦变倍原理运用Zemax软件模拟设计了一激光准直扩束系统，入射激光波长为1064nm，发散角小于5mrad，入射直径为1mm，准直扩束系统的扩束比4～24倍连续可调，可实现压缩光束的发散角（出射光发散角可压缩至0．208mrad），扩大光斑尺寸，达到对激光准直和扩束的目的。不同倍率下波像差最大均方根（RMS）值为0．1769λ，均小于λ／4，满足像质评价要求。此设计结构简单，易于加工装调，具有较高的实际应用价值。

扩束准直光学系统中光学元件失调对高斯光束传输变换的影响分析

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式,以高斯光束为激光束模型,推导了激光光束通过失调扩束准直光学系统的传输公式,分析了光学元件失调对扩束准直光学系统输出光束传输特性的影响,并在此基础上进行了仿真。实验结果表明,高斯光束通过失调扩束准直光学系统时,出射光束变为偏心高斯光束,光学元件失调程度越大,输出光束越偏离光轴,光束质量越差。在同样的失调下,长焦距光学元件对输出光束影响更大,因此在激光扩束准直光学系统中,调整长焦距光学元件更为重要。

基于扩束-准直镜的凸透镜自动测焦平台设计与制作

依据凸透镜汇聚平行光于焦点处的特点,在光学导轨上,用扩束-准直镜将He-Ne激光器细光束展成宽平行光,以STC12C5A60S2单片机为主控芯片,控制步进电机移动待测凸透镜和附着在圆盘上由光敏电阻阵列组成的光电转换器,构建了简易的凸透镜自动测焦平台。选1.50 m光具座,20倍扩束-准直镜,实现了40~300 mm范围凸透镜焦距的高效自动检测。

用于冷原子制备的激光扩束准直器的研制

针对现有的冷原子实验用的多数保偏光纤输入型扩束准直器不能对输入激光束的偏振进行精确调节的缺陷,提出了一种全长度为135mm,输出圆形光斑有效直径为20mm的紧凑型偏振可调激光扩束准直器.该扩束准直器中的偏振棱镜和波片偏振轴均可独立调节,能对单模保偏光纤输入光束的偏振态进行精确调节和保持.所研制的激光扩束准直器在三维磁光阱冷原子实验中制备出了满足冷原子干涉实验要求的冷原子团,冷原子团原子数为5×108,温度约为10μK,并获得了最大上抛高度为1.156m的原子喷泉飞行时间信号.

轻型多旋翼无人机激光供能系统优化设计

传统无人机电池的能量密度有限,限制了其飞行时间,激光供能系统可以延长无人机的续航能力。提出轻型多旋翼无人机激光供能接收阵列和扩束准直系统的优化设计方法,通过Matlab和Simulink联合仿真,对激光供能系统的传输功率损耗进行量化分析,将激光传能过程中的光伏阵列设计半径和初始光斑束腰半径的比值定义为缩放因子,将总传能效率细化为大气传输效率、截断效率、高斯填充效率和光电转换效率。以悬停姿态下的轻型多旋翼无人机为基础工况,进行详细的设计计算。结果显示,在给定光伏阵列设计半径和传输距离时,缩放因子存在最优值,光伏阵列设计半径对远距离传能效率有较大影响,随着传能距离的增加,截断效率下降成为主导因素。

新型联合变换相关器光学系统设计

以往联合变换相关器的光学系统结构是一支光路反馈,实时性差且体积大。针对其缺点,设计了一种具有双光路的联合变换相关器。其中,最主要的特点是傅里叶透镜组与准直扩束系统共用同一片正透镜。改进后的装置可以清晰地探测到相关点,并具有体积小的特点。

准直光束高斯特征对直写光斑强度的影响

通过建立非理想准直光束残余高斯特征的功率密度模型,阐述了光束准直效果与功率密度的关系,借助光束通光比例系数对直写光斑强度分布影响的分析,以光斑主瓣、旁瓣的强度和宽度为主要特征,讨论了直写光斑强度及强度分布与光束准直效果的变化规律,确定了合理选取激光直写系统中准直扩束比例系数的原则。通过仿真不仅系统阐述了理想准直光束与非理想准直光束所形成的直写光斑形状的差异,还描述了理想准直光束近似计算光斑强度分布时的误差形式,这一结论为激光直写机准直系统设计提供了理论依据。

三维形貌测量激光雷达光学系统设计

利用差频干涉原理设计了基于迈克尔逊干涉仪的激光雷达测距系统,该系统配合轴角编码器,可实现三维形貌测量。介绍了激光雷达发射系统和接收系统的设计,发射系统根据高斯光束准直理论,确定光学系统的相关参数,设计了可用于2m^18m范围内的激光测距系统,同时利用Zemax的宏语言编程,绘制出变倍曲线。接收系统根据激光雷达测距方程,确定目标的相关参数,以获取最大的回波能量,并通过光学系统将回波光束耦合进光纤。该系统实现了发射、接收共光路,可用于轨道客车的子弹头面型的非接触测量及其他复杂的三维面型,具有测量速度快、精度高的特点,有着很广阔的发展前景。

透射式光学相关器小型化设计

针对光学相关器的技术指标,对其光学系统进行小型化设计。傅里叶透镜组与准直扩束系统均采用摄远型式结构,在满足其长焦距的前提下缩短了系统的光学筒长;采用直角反射棱镜折叠空间光路充分利用空间,使系统布局更紧凑;利用计算机辅助设计软件ZEMAX对光学系统结构进行优化,最后研制出的小型化透射式光学相关器总长在150mm以内,总宽在130mm以内,实现了小型化目的。改进后的光学系统结构为双光路处理结构,具有实时性强的优点。经实验验证,该装置具有较好的相关探测性能,并且噪声小、探测精度高。

光学识别系统小型化设计

针对光学识别系统的技术指标,对其光学系统进行小型化设计。其中,傅里叶透镜与准直扩束系统均采用摄远型式结构,在满足其长焦距的前提下大大缩短了系统的光学筒长。为了使系统结构更精巧,引入了二元光学元件,利用ZEMAX辅助设计软件对光学系统结构进行优化;通过有效地折叠空间光路使系统布局更紧凑,最后研制出的小型化透射式光学识别系统,其总长为130 mm,总宽为90 mm,实现了小型化。经实验验证,该系统具有较好的相关探测性能,具有噪声小、探测精度高的优点。

高精度透射式光电定心仪的研究

针对目前定心仪产品精度不高、结构复杂且形式单一的现状,在对传统透镜表面反射像定心法、球心自准像定心法和光学电视定心法的不足进行分析的基础上,提出了一种高精度透射式光电定心仪研究方法。系统采用激光为光源,设计了扩束准直系统,使入射到待测透镜上的为发散角极小的平行光;利用位置敏感探测器PSD测量经过待测透镜会聚的光斑重心坐标,来判断是否实现精确定心。该定心仪结构简单、测量方便,可在测量范围+∞≥R≥-∞内,达到1μm的定心精度,在透镜加工领域具有很广阔的发展前景。

三维激光雷达发射/接收共光路光学系统设计

针对空间三维坐标的测量需求，设计了3D激光雷达光学系统。系统采用发射／接收共光路的结构形式，以高斯光学为理论基础，采用Zemax光学设计软件进行仿真。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰，而且简化了系统结构、缩小仪器体积。系统采用扩柬准直结构，实现8倍扩束比。通过微小的调焦，调整发射光学系统的第一片和第二片透镜之间距离在28．203—14．671mln之间变化时，实现了2—18m的测量范围内，测距精度0．02mm＋10μm/m。

一种新颖的简易凸透镜自动测焦设计方法

提出一种凸透镜自动测焦的设计方法。该方法直接从凸透镜焦距定义出发,应用凸透镜汇聚平行光于焦点测量其焦距,平行光采用激光器→扩束-准直镜获得。巧妙运用光敏电阻阵列设计解决调"共轴"问题,恰当设计测量过程轻松给出焦距测试结果。设计集光机电技术于一体,各部分技能又都很基础,具有广泛的实用性,整体设计方案可拓性也很强,具有较高的教学价值。

反射式光电联合变换相关器的设计

传统的联合变换相关器一般为单光路反馈系统,体积大且运行速度慢.针对其缺点,根据光电联合变换相关器探测的基本原理,设计了具有双光路的反射式光电联合相关器,其由计算机控制的电寻址液晶EALCD作为空间光调制器,并用面阵CCD作为探测器记录其联合变换功率谱;整个光学系统是由准直系统结构和傅立叶系统构成,其特点是体积小,并且运行速度快.

用于激光祛斑的畸变镜头

平顶化激光束可以提高激光祛斑的功效,为此提出基于畸变镜头对高斯光束离焦下平顶化的激光祛斑技术方案,给出了其光学系统和技术要点及其畸变镜头的设计要求,参考相关文献经过合理推理给出了已扩束准直的高斯光束通过畸变镜头衍射变换得到的平顶化激光束,并进行了计算机模拟实验,表明这一激光祛斑的原理及其技术方法是可行的,对改善激光祛斑效果能够发挥重要作用。

液压油污染颗粒光电检测系统

论述了液压油污染颗粒光电检测系统的原理及结构。该系统以面阵CCD作为被测污染颗粒边缘图像的探测器件,采用激光准直扩束技术和计算机数字图像处理技术,运用最佳阈值分割和轮廓提取相结合的图像数据处理方法,实现了油液污染颗粒图像边缘的精确检测。利用该系统对实际液压油进行了实验,证明了系统的实用性和实效性。

激光打标机聚焦性能的优化设计

一般动态聚焦打标机在聚焦镜前加一套准直扩束系统,随扫描振镜的转动,同步调整准直扩束系统的位置,使激光束始终聚焦在打标平面上。但对更大幅面,聚焦效果不够理想,边缘部分比较模糊。为了适应更大幅面的打标,在原准直扩束系统的基础上,设计了动态准直扩束系统,通过优化设计准直扩束系统的运动轨迹,进一步提高了聚焦性能。经优化后的聚焦指标性能提高了20%,实现了小光斑、大范围的激光打标。同时利用多项式对扩束镜的轨迹进行拟合,提高打标速度,并利用分段线性插值查找表的方法对边缘部分的枕形失真进行校正。经装机测试,该系统打标效果好,能满足使用要求。

配电线路激光驱鸟策略研究

配电线路绝缘防护能力较低,鸟害容易引起线路故障。为此,基于鸟类生态学和激光准直扩束技术,提升驱鸟效果的持久性。首先,基于样方法统计分析,实现鸟巢高度的分析;其次,基于准直扩束原理和配电杆结构特征,缩小激光扫描的范围;接着,采用线扫和盲扫工作策略,提高驱鸟效果;最后,为验证策略方法的有效性,在涉鸟故障高发区域进行了现场测试。结果表明:该方法驱鸟范围广,涉鸟故障次数明显下降,证明了其可行性和持久性。研究结论为配电线路涉鸟故障防治提供了重要的依据。