All-fibre flat-top comb filter based on high-birefringence photonic crystal fibre loop mirror

A novel all-fibre flat-top comb filter based on a high birefringence photonic crystal fibre loop mirror is proposed and demonstrated. We simulate theoretically its output spectra and experimentally realize a flat-top output with a high extinction ratio. Compared to filters consisting of the conventional Panda polarization maintaining fibre, filters based on a high birefringence photonic crystal fibre loop mirror have better temperature stability. This kind of filter can be expected to be used widely in Wavelength-division-multiplexing(WDM) systems in the future.

一种大口径平面镜支撑结构的仿真与实验

为提高600 mm大口径立式平面镜沿光轴旋转90°后的表面面型测量精度,对多孔支撑结构下5种不同材料的平面镜重力变形进行有限元仿真分析,并通过实验测量探究旋转后的静置时间对面型精度的影响等问题。结果表明,该多孔支撑结构下的平面镜表面由重力导致的轴向变形量不超过14 nm,满足精度要求。该多孔结构支撑的平面镜沿光轴旋转90°静置1 h后达到稳定状态,与静置2 h后的面型结果PV值仅相差0.337 nm,RMS值相差0.081 nm,实验探究了静置时间对面型结果的影响。研究发现,在至多去除6%外口径的条件下可以大幅降低平面镜表面面型PV值,PV值降低超过50 nm,由此提出一种制造大口径平面镜时通过设置支撑结构缓冲区以提高面型精度的方法,可以有效提高大口径平面镜的面型精度。

基于MEMS可变形反射镜的激光整形研究

应用MEMS可变形反射镜进行激光光束整形技术研究。首先建立平顶光束整形的理论模型,通过近轴透镜聚焦后的光场,利用柯林斯广义衍射积分公式对高斯光束整形模拟仿真,分析不同束腰半径和发散角的高斯光束对整形成平顶光束的影响。设计基于可变形反射镜的平顶光束整形的光路实验,通过平顶光束整形的理论模型和泽尼克多项公式,得到MEMS可变形反射镜各单元的驱动电压参数,实现平顶光束整形光场分布。在基于MEMS可变形反射镜的激光整形研究分析中,利用波前传感器对整形平顶光束进行光斑分析,得到基于可变形反射镜的平顶光束整形实验结果。对实验结果和理论仿真进行对比分析,得到其规律基本一致,结果较为理想。

Combined Focusing and Flat-Field Spectrometer System for Extreme Ultraviolet Pulse

For reducing both extreme ultraviolet attosecond pulses energy loss in the focusing reflection process and measurement error caused by pulse focusing aberration, as well as improving the operability of pulse spectroscopy monitoring, a combined focusing and flat-field spectrometer analysis system for attosecond pulse is proposed and designed through step-by-step performance optimization. The focusing and spectrum-analyzing components are gold- coated grazing incidence to roidal mirror and grazing incidence concave focusing grating, respectively. The characteristic parameters of the system are given in details. The system proposed can find application in research platform of attosecond spectroscopy using high energy short attosecond pulse as basic probe tool.

一种连续可调光程模拟装置的设计

为实现光程的连续性调节,研究了一种光程模拟装置,通过平面镜对激光的反射作用,实现平面镜之间距离的精确调节,达到连续改变光程的目的,以完成光程的模拟。介绍了光程模拟装置的工作原理,建立了相应的数学模型。并使用光电经纬仪对平面镜组进行平行性检测实验,保证了该装置能够稳定工作的基础。最后完成了光程模拟实验,结果表明光程模拟值可在1.8~27.8 m的范围内变化,系统精度检测总误差的最大值为0.808 mm,最小值为0.739 mm,满足对激光测距机测距性能的检测。

高精度大口径平面镜面形角差法测试探究

研究了一种集高精度自准直仪与五棱镜于一体,采用角差法(角度变化量测试),实现大口径平面镜垂直状态下面形测试的方法.此方法的运用可实现对大口径平面镜面形的直接高精度检测,突破常规'以大测大'的高成本检测方法.本文阐述了测试装置的设计思想,对影响面形轮廓测试精度的因素进行了讨论.大口径平面镜面形的变化可通过其各点法线方向角度的变化量而反映出,采用高精度测试角度变化量的方法可计算获知面形轮廓状态.通过对大口经平面镜条带区域面形轮廓的测试原理分析,计算得出角差法(角度变化量测试)的测量不确定度.同时,由于对测试的高精度要求(纳米级),测试环境(温度、振动、气流扰动)也对测试结果有着不可忽视的影响,通过条带区域轮廓测试实验,对采样方式与环境影响进行了分析,从而得出在一定测试条件下,测量装置与环境对测量精度的影响程度,其测量不确定度可达到次纳米量级以上(扩展不确定度U=15.4～9.0 nm,取置信概率p＝0.99,包含因子κ＝3),基本满足测试需要.

五棱镜转动时出射光角度的变化

为了对大口径平面镜面形轮廓的五棱镜扫描法测试进行误差分析和修正,对五棱镜转动时出射光角度的变化进行了分析与精确计算。首先建立了合适的坐标系并规定了角度的正负,然后由入射光的偏摆角和俯仰角计算入射光向量,接着介绍了五棱镜的作用矩阵与坐标转换矩阵,在此基础上详细分析了五棱镜转动的整个过程并且计算了出射光向量。然后计算出射光的偏摆角和俯仰角,再计算当五棱镜没有转动时出射光的偏摆角和俯仰角。最后计算出射光偏摆角和俯仰角的变化。特别分析了当入射光垂直入射五棱镜的情况。随后进行了实际计算与实验,总结了出射光角度变化的一些规律。将计算数据与实验数据进行了比较,结果最大偏差为1″。最大偏差在实验精度范围内,证明了计算方法是正确的。

平面子孔径拼接测量研究

通过椭圆形(长轴为225 mm,短轴为161 mm)SiC平面反射镜的全口径面形加工测量实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法(SASL算法)的有效性。用100 mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了5次离子束迭代加工过程和最终的全口径面形测量。加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差RMS快速收敛到50 nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对对准运动的精度要求,并能减少拼接过程对拼接结果的影响。

基于激光干涉仪与自准直仪的平面镜轮廓高精度测量技术

基于三组激光干涉光路与一台自准直仪的光学扫描检测方法,开发可用于大尺寸平面镜二维轮廓的高精度测量技术。通过联立线性方程式与最小二乘法结合的计算算法,可得到平面镜二维轮廓的测量结果及整个测量过程的不确定度值。利用建模仿真整个测量过程,分析不同采样点数N下不确定度数值的变化趋势。此外,搭建基于高精度三坐标测量仪平台上的光学检测系统,试验果表明该技术成功实现对100 mm平面镜二维轮廓的测量,并可实现重复性测量精度在±20 nm范围内。通过与Zygo白光干涉系统结果的比较,该检测技术可以实现纳米级别的测量精度。

用于子孔径拼接干涉系统的机械误差补偿算法

针对拼接干涉检测系统机械定位精度引起的各子孔径间的相对定位误差,提出了含定位误差补偿项的全局最优化拼接算法。介绍了该算法原理,从理论上分析了该算法拟合出的平移和旋转定位系数的精度。结合MetroPro和Matlab软件仿真模拟实验,分析了机械定位误差对拼接检测精度的影响。实验表明:拟合出的平移定位系数精度高于旋转定位系数精度,与理论分析一致;相对于一般算法,该算法对机械误差有较强的免疫力。在搭建的拼接检测装置上检测了口径为150mm的平面镜,结果显示:拼接结果与干涉仪直接检测的全口径相位残差的分布峰谷值(PV)为0.015 30λ,均方根值(RMS)为0.001 570λ,得到的结果十分接近,验证了该算法稳定可靠,能够合理有效地补偿机械精度引起的子孔径定位误差。

基于Isight的平面反射镜轻量优化设计

针对大口径反射镜的设计,提出一种新的优化思路,用Isight集成SolidWorks和ANSYS,用实验设计、优化结合的方式得到了满足约束的最优尺寸,同时得到约束为反射镜水平时自重和高低温下的变形,以及一阶固有频率,目标为反射镜的质量最小化,轻量化率达51%。将反射镜面的变形节点拟合成Zernike多项式,导入到CodeV中,得到了反射镜受温度和重力共同作用下的光学系统点列斑,从而反映出变形镜面对光学像质的影响。

斜入射干涉检测大口径碳化硅平面反射镜

采用自行研制的口径为600 mm的近红外相移平面干涉仪在斜入射条件下对大口径碳化硅(SiC)平面反射镜进行了绝对测量。首先,在一个标准的斐索干涉测试结构中测出空腔波面数据;然后,将被测平面置于干涉光路中,使被测件光轴与干涉仪光轴成α角,测得第二组波面数据。对两组波面数据处理后得到SiC平面反射镜中心垂线方向的绝对面形分布。最后,测量了630 mm口径SiC反射镜多条垂线方向的绝对面形。结果显示,中心垂线处的绝对检验PV值为0.061λ,RMS为0.014λ。实验结果表明,该测量装置可以实现比干涉仪有效口径大的光学平面垂线方向的绝对面形检测,尤其适用于镀有高反膜的光学表面或者金属表面等面形的绝对测量。

误差分离技术在平面镜瑞奇-康芒法检测中的应用

为了提高瑞奇-康芒法检测平面镜面形误差的精度,提出了利用检测系统光瞳面与被检平面镜表面的坐标映射关系插值拟合平面镜面形的方法。结合最小二乘法分析,解算了由光路调整引入的离焦误差,获得了更为真实的平面镜面形误差。理论仿真分析显示,此方法的平面镜测量误差可控制在λ/100(λ=632.8nm)量级。对口径为40mm的小口径平面镜进行了实际检测,检测过程中通过多角度旋转被测平面镜,利用坐标映射关系和幅值转换关系对测试波前进行恢复,在分离系统离焦误差后得到被检平面镜面形RMS值为0.018 6λ,与干涉仪直接检测得到的RMS值0.021λ相比,残差为0.002 4λ。实验结果证明了此种误差分离技术在瑞奇-康芒法对平面镜面形检测时的有效性与准确性。

近距离多目标(种子)检测中摄像机系统的标定方法

在进行基于计算机视觉的排种器性能检测时 ,为了解决目标 (种子 )之间的遮挡、加快图象采集速度和节省计算机的存储空间 ,提出了一种近距离多目标 (种子 )检测中 ,摄像机系统的标定方法 .建立了由摄像机和平面镜组成的摄像机系统标定的数学模型 ,并给出了恢复空间点的方法 .同时在排种器实验台上进行了验证 ,结果表明该系统不仅能较好地检测出种子的重叠和丢失等情况 ,而且检测误差小于 1mm,且完全可以不用粘胶带 。

平面反射镜装置对激光诱导等离子体辐射特性的影响

为获得高质量的发射光谱,提出了一种平面反射镜装置,研究了在平面反射镜装置条件下的激光诱导等离子体辐射特性。实验结果表明,相同的激光输出能量条件下,在等离子体周围放置由三块平面反射镜组成的装置以后,土壤样品中元素Mg,Fe,Ba,Ti和Al的光谱线强度比常态下的分别增大了116.2%,96.43%,90.93%,102.1%和98.57%,信噪比分别提高39.17%,32.48%,38.07%,39.95%和21.30%。通过测量激光等离子体参数,解释了平面反射镜装置对等离子体辐射增强的机理。这种简便易行的方法是改善激光诱导击穿光谱技术检测能力的有效途径。

采用五棱镜扫描法检测大口径平面镜的面形

为了提高大口径平面镜面形检测的精度和效率,提出了一种新的五棱镜扫描法。该方法采用径向扫描的方式,使用一个扫描的五棱镜和一台自准直仪来测量表面倾斜角的差值,然后将被测平面镜的面形表示为Zernike多项式的线性组合,再利用表面倾斜角的差值建立方程组,最后采用最小二乘法计算得到被测平面镜的面形。在检测过程中,该方法还可以对五棱镜在扫描过程中的倾斜变化量进行自动监视和调整,减小了检测误差。误差分析表明,该方法的面形检测精度为7.6nmrms(均方根误差)。采用该方法对一块1.5m口径的平面镜进行了面形检测,并与Ritchey-Common法的检测结果进行了对比,两种方法面形结果的差异为7.1nmrms,小于五棱镜扫描法的面形检测精度。证明了利用该五棱镜扫描法检测大口径平面镜面形的正确性。

实时测量的X射线针孔相机信号强度估算

对用X射线CCD作测量设备的在线针孔相机信号强度进行了估计。利用激光原型装置柱腔能谱曲线、PI—SX1300型号X射线CCD的量子效率曲线分别对在CCD加Be滤片和加不同材料的平面镜两种情况下的针孔相机成像获得的X射线信号在CCD上的信号强度计数进行了估算，结果表明：厚度不大于200μm的Be滤片只能将信号强度的计数降低一个量级；3°入射的金平面镜，5°入射的镍、碳平面镜和硅平面镜虽然也可将信号强度计数降低一个量级，但这两种衰减方法得到的强度计数超过了CCD的饱和计数值。计算了不同厚度的Be滤片结合平面镜的针孔相机对信号强度计数的衰减情况，结果表明：Be的厚度在20～40μm时，平面镜选择3°入射的金平面镜或者5°入射的镍平面镜，两者结合可以较好地衰减信号。

大口径像旋补偿系统的分析与设计

由成像系统和可控扫摆镜组合的具有周视功能的系统常出现像旋现象,根据反射棱镜具有调整光轴和引起像旋的性能,将不同的组合结构设计成像旋补偿系统,以相互抵消的方式来消除像旋的影响。利用平面反射镜组合代替反射棱镜的方式,消除棱镜加工等实际因素对通光口径的限制。根据反射棱镜转动定理分析扫摆镜产生像旋的原因,举例说明反射镜组合能够解决大口径扫摆光学系统的像旋问题。

瑞奇-康芒式大口径平面镜面形数据处理方法对比研究

为使瑞奇-康芒法检测结果更为真实地反映出被检平面镜的面形情况,对瑞奇-康芒检测数据处理方法进行研究。针对现有的数据模型,提出利用坐标转换关系法计算平面镜的面形误差。利用仿真验证坐标转换法的有效性并分析此方法的理论计算精度。通过对比实验结果与干涉仪直接检测结果可知,坐标转换法的实际PV检测精度优于1/20λ,RMS检测精度优于1/100λ,达到高精度检测要求。相比影响矩阵法结果,PV精度提高了0.013λ,RMS精度提高了0.003 7λ,证明坐标转换法更适用于瑞奇-康芒法数据处理分析。

基于五棱镜扫描技术测试大口径平面镜的系统设计

根据五棱镜扫描测试技术建立了大口径平面镜面形测试系统。对测试系统结构的设计与组成进行了阐述,分析了在实现大口径轮廓扫描时,主要影响测试精度的因素和影响形式;通过计算给出了五棱镜制造误差与扫描机构导向误差对角度测试的综合影响趋势,得出了轮廓测试过程中法线角度改变量测试误差主要受导轨精度影响的结论。在导轨导向精度设计为俯仰与偏摆角10″、滚动偏角20″时,系统测试光线角度变化量在扫描方向上最大为0.000969694″,可满足测试要求(系统测角精度为0.02″)。通过计算机模拟,进行了多条带区域轮廓图拼接实验,与干涉图比对,验证了该系统的可行性。