宽角度位相调控反射镜的设计与研制

宽角度位相调控反射镜是下一代中高轨量子通信系统中的核心元件,用于宽角度范围内信号光的高效传递与偏振态的精确调控。基于等效多层膜理论,采用介质反射膜堆加非规整位相调控膜的膜系结构,设计了一种宽角度位相调控反射镜。选择Nb2O5和SiO2分别作为高、低折射率薄膜材料,通过误差分析,优化沉积工艺,采用电子束蒸发结合离子辅助沉积的方式,在德国莱宝Lab900-plus设备上制备出该薄膜元件。研制结果表明,反射镜在780 nm处、45°±7.5°入射范围内,其反射率大于99.3%,位相差控制在3°以内,满足量子通信系统的反射率及位相差控制要求,且通过相关环境模拟实验,满足可靠性要求,为该类偏振调控薄膜元件在下一代中高轨量子卫星中的工程应用打下了坚实的基础。

基于双混联机器人协同运动控制的薄壁件镜像铣削研究

为提高薄壁件镜像铣削过程中的加工质量,本文提出一种针对双混联机器人镜像铣削的协同运动控制策略。首先,结合机器人运动控制特点,研发出一种双CPU主从控制架构的开放式数控系统,以实现人机交互和运动控制;然后,为实现双机协同运动并提高薄壁件加工质量,在数控系统中集成了4大关键技术,分别是双机器人的镜像路径生成、同步速度规划、协同运动学和运动误差实时补偿;最后,基于自主开发的集成式镜像铣削数控系统,开展了单点和多点支撑、双机协同与非协同加工的平面薄壁件槽铣削试验,多点支撑的平面铣削试验,大曲率路径高速协同运动试验与曲面薄壁件槽铣削加工试验。试验结果表明,提出的协同运动控制策略能够保证双机器人具有较高的同步位置精度。此外,多点支撑方式在保证薄壁件铣削壁厚的同时,还可提高工件铣削的颤振稳定性。

基于旋量理论的镜像加工运动学建模及轨迹自动修调研究

针对镜像加工过程中结构变形致使加工精度难以控制的问题,建立了基于旋量理论的镜像加工剩余壁厚运动学模型,综合考虑零件加工要求及镜像约束关系,提出了镜像加工“支撑-铣削”轨迹生成方法,建立了针对工件变形补偿的镜像支撑轨迹修调模型,实现了镜像加工“支撑-铣削”轨迹自动修调。栅格壁板镜像加工验证试验结果表明,提出的镜像加工“支撑-铣削”轨迹生成和自动修调方法可以满足镜像加工剩余壁厚要求。

大口径主镜反射膜生长热应力及重力仿真

为了充分了解大口径主镜镀膜时热应力及自身重力的分布规律,达到控制反射镜面形变化、提高成膜质量的目的,采用有限元分析方法,对大口径主镜反射膜的生长热应力及重力对反射镜面形的影响进行了理论分析和研究。结果表明,大口径主镜反射膜更容易在靠近边缘位置处出现剥落和损坏情况;大口径主镜镀膜过程中,自身重力引起的反射镜面形变化对镀膜质量会产生较大影响,需要进行重力消除处理;3000 mm口径的主镜在采用镜面向上、向下蒸发膜料的方式镀膜时,需要对支撑方式进行优化设计。该研究为大口径反射镜镀膜时控制热应力及重力对反射镜面形的影响提供了参考。

Research and development of VUV optical coatings for micro mirror applications

This paper deals with vacuum UV optical coatings for micro mirror applications. High reflecting low-stress optical coatings have been developed for the next-generation of micro mechanical mirrors. The optimized metal systems are applicable in the VUV spectral region and can be integrated in the technology of MOEMS, such as spatial light modulators (SLM) and micro scanning mirrors.

A 12.1-W SESAM mode-locked Yb:YAG thin disk laser

Pumped by a 940 nm fiber-coupled diode laser, a passively mode-locked Yb：YAG thin disk oscillator was demonstrated with a semiconductor saturable absorber mirror（SESAM）. 12.1 W mode-locked pulses were obtained with pulse duration of 698 fs at the repetition rate of 57.43 MHz. Measurement showed that the beam quality was close to the diffraction limit.

利用Zernike多项式分析超薄镜热变形

利用圆域上正交基-Zernike多项式拟合镜面温度场,将温度场转化为较有意义的模式,采用有限元方法进行了热变形的计算,其中针对空间大口径超薄镜面建立镜面模型,且暂不考虑重力,另外因超薄镜厚度很小,也不考虑轴向温度梯度的影响。通过计算利用Zernike多项式得到温度场产生的热变形,得到了不同温度模式产生的不同像差形式:即对于不同的温度场模式—温度整体变化(平移),一端凉且一端热(倾斜),中心与边缘温度不同(离焦热模式),以及像散热模式,彗差热模式,球差热模式导致的热变形分别主要表现为像差离焦,倾斜,离焦,倾斜,倾斜,球差。不同热模式在相同温差下产生的变形有数量级的差别,能够产生较大变形量的温度模式有离焦,彗差和球差,这意味着超薄镜对这些温度场比较敏感。计算和总结表明,利用Zernike多项式分解温度场,可以对热变形规律进行有效的分析,解决了镜面温度分布随时间变化使得热分析较为不准确的困难。

薄镜面主动光学对光学像差的校正能力分析

建立了薄镜面主动光学的仿真模型,并进行了仿真分析,结果表明薄镜面主动光学可以对低频误差完成较好的校正.为了进一步验证,建立了一套薄镜面主动光学实验系统,开展了薄镜面主动光学实验.结果表明,通过主动光学校正可以把镜面面形校正到磨制时的面形即λ/10.同时发现,薄镜面主动光学对三阶像散和三阶球差的校正能力最好,三叶彗差的校正能力也较好,而三阶彗差最难校正,这对于磨制大型薄镜面具有一定的指导意义.

0.5m超薄镜主动支撑面形校正及实验

为了研究主动支撑条件对超薄镜面形误差的校正能力,以一个直径0.5m的超薄镜为例进行了面形校正的仿真分析及实验验证。分析了致动器作用力与超薄镜面形的关系,引入了一些需校正的面形误差,如初级球差、慧差、像散及重力变形等,确定了致动器作用力的优化目标,用求解非线性约束问题的优化算法——序列二次规划法计算了校正面形误差所需的致动器作用力,得到了超薄镜面形残余误差。仿真分析表明,对于归一化系数为1的初始球差、慧差、像散以及它们的叠加,用本文提供的致动器排布方式可以将面形误差校正到RMSλ/24以内,且对初级像散的校正能力最强,慧差和球差次之;竖直放置时的重力变形加上3种低阶像差的叠加也可被校正到RMSλ/24。在得到主动支撑的0.5m实验镜的初始面形结果后,重新计算了优化力和面形误差,结果表明,计算结果和实际装调结果基本一致,RMS约为λ/7。计算分析了超薄镜面形未能达到预期目标的原因,提出了适当增加致动器和提高超薄镜初始面形精度的改进方案,并最终使超薄镜面形达到RMSλ/20的要求。

620mm薄镜面主动光学望远镜校正实验

对620mm口径薄镜面主动光学望远镜进行了主镜面形校正和系统波像差校正实验。主镜支撑结构由轴向36个主动支撑点和侧向6个被动支撑点组成,其中轴向33个支撑点用于主动校正,3个作为虚拟硬点用于控制主镜空间位置;利用研制的Shack-Hartmann(S-H)传感器作为检测设备,采用最小二乘法计算校正力。实验中在对系统校正能力测试的基础上,选择了中低频Zernike像差参与校正。通过将S-H传感器固定在主镜曲率中心位置,完成了主镜在不同俯仰角下的面形校正,将初始状态约0.6λRMS校正到λ/12~λ/15 RMS。而后通过平行光管发出的星点目标,对望远镜系统进行了波像差校正,使系统波像差从初始约0.65λRMS校正到约0.2λRMS,分辨率由18lp/mm提高到45lp/mm。

超轻超薄反射镜制造过程中的变形控制研究

针对超轻超薄反射镜(超薄镜)径厚比大、自身刚度小、单独加工难度大的问题,采用基底支撑方式对超薄镜进行加工。我们研究了在加工过程中粘接、温度、应力等因素所导致的超薄镜变形的控制手段并对变形控制效果提出了评判方法。通过195mm口径超薄镜工艺实验对控制变形的工艺进行改进,用改进后的加工工艺进行了340mm口径的超薄镜制造,得到了比较理想的面形,下盘后PV值5.74λ,RMS值1.02λ(λ=632.8nm)。这表明在超薄镜制造过程中变形控制的技术方案可行,工艺改进方向正确。同时,实验结果表明,超薄镜制造过程中的变形最终表现为镜面出现非重力因素引起的像散。

620mm薄镜面的主动支撑结构及面形校正

为了提高大口径薄镜面望远镜主镜在不同俯仰角度的支撑面形精度,采用模态振型模式定标实时对主镜面形进行了主动校正。针对口径为620mm,厚度为18mm,底支撑采用36点主动支撑,侧支撑采用6点切向被动支撑的薄镜面主动支撑系统,分析了主镜自由振动时的模态振型;在进行主动校正前将其前10阶模态振型的RMS值归一化为1 000nm,定标出相应的校正力;分析了不同俯仰角下主镜面形的变化,并采用最小二乘法用模态振型为底基函数拟合了主镜面变形,求解出主动校正力;对比校正面形和原始面形的关系,在二次主动校正之后分析了拟合残差和校正残差的关系。最终校正结果显示,主镜竖直放置时,用最大2.23N的校正力可将其面形RMS从27.62nm校正到12.95nm;主镜水平放置时,用最大0.59N的校正力可将其面形RMS从7.68nm校正到2.84nm。得到的结果验证了采用模态振型校正主镜面形的可行性。

真空自励研磨抛光工艺的研究

详细地阐述了真空自励研磨抛光盘的工作方式、基本原理 ,并在对 12 0× 12 0mm厚径比小于 1/ 6 0的超薄镜面实际加工中 ,成功解决了磨头自身重力对工件变形的影响 ,降低了元件在加工中支撑要求 ,有效地解决了超薄元件的数控加工难题。

大口径薄型光学镜面支撑方案的优化设计

针对薄型光学镜面支撑过程中的主动施力过程,建立了一个1维分析模型。利用该模型,采用有限元法对一个口径为300 mm、直径与厚度比为40的薄型光学镜面,利用离散支撑方案,针对4种镜面变形进行了计算,得到了实现变形要求所需施加力的大小。使用零阶优化方法中的子问题逼近法对施力位置、施力大小进行了具体优化。分析结果显示:优化后的镜面变形与目标形状更接近,最大平均差值比优化前减小了58%。

能动薄主镜技术模拟研究

利用有限元法对模拟能动薄主镜的两块变形反射镜拟合象差模式的能力进行计算，并进行了象差拟合实验，计算结果与实验结果相符．

激光辐照薄膜镜面产生损伤现象的研究

描述了薄膜镜面因激光辐照产生的波纹现象,对产生机理进行了分析,提出热导波模型。热导波模型比通常的光学模型能更好的解释波纹现象。

模态振型拟合薄镜面变形分析

波前重构是主动光学的关键技术之一,分析了薄镜面的自由谐振模态振型的特点,以其为底基函数,拟合了薄镜面主镜的变形。首先,用有限元方法给出了主镜的前10阶模态振型图,把它们的RMS值归一化为1 000 nm,对比分析了主镜模态振型和Zernike多项式在圆域内的径向变特点。利用模态振型在环域内的正交性和完备性,采用最小二乘法拟合主镜变形,并与环域内的Zernike多项式拟合结果做了对比。分析结果表明,自由模式可以拟合波前变形,采用相同项数拟合主镜变形时,模态振型拟合主镜变形可以获得更小的残余误差。

大口径超薄镜面对畸变波前的补偿

针对低频波前对光束质量的影响,优化设计了一个口径为300mm、半径与厚度比为20的薄型光学镜面,被用来对低频随机畸变波前进行补偿,并详细分析了补偿前后的光束质量变化。结果表明:无论是低频随机相位空间尺度参数变化,还是低频相位振幅参数发生改变,低频畸变经过补偿后,畸变波前明显变小,相位梯度在整个空间周期内都降低,远场强度的峰值增加,能量更集中,且能量集中度最高提高约50%。

Cu、An薄膜镜面的激光辐射损伤研究

本文研究了Cu、Au薄膜镜面的激光辐射损伤,得到了反射率随激光及样品有关参数变化关系的实验结果,并对激光辐射损伤的机制进行了初步的讨论。