Far-field vector-diffraction of off-axis parabolic mirror under oblique incidence

Based on a full vector-diffraction theory, a detailed theoretical study is carried out, aiming at providing a clear insight into the effects of different focusing and off-axis parabola parameters on far-field vector-diffraction properties of an offaxis parabolic mirror in the presence of misalignments of the incoming beam. The physical origin of these effects is also explored. The results show that the far-field intensity profile is altered by the distortion-, coma-, and astigmatism-like aberrations, which are caused by oblique incidence rather than inherent aberrations for the off-axis configuration. The radius of 90% encircled energy also increases but does not change monotonically with incident beam size increasing, or rather,it first decreases and then increases. The focal shift strongly depends on the effective focal length and oblique incidence angle, but it is almost independent of the beam size, which affects the focusing spot patterns. The intensity distribution produces a higher astigmatic image with off-axis angle increasing. Coma-like aberration starts to become dominant with beam size increasing and results in larger curved propagation trajectory. The incident polarization also affects the intensity distribution. The variation in the Strehl ratio with oblique incidence angle strongly depends on the misalignment direction and beam size as well. In addition, we find that the difference in locus between the catacaustic and the diffraction focus in the meridian is small. But the locus of the sagittal foci is obviously different from the locus of the meridian foci and the catacaustic focus. Moreover, the peak intensity of the sagittal focus is maximum, and the ratio of the peak intensity to that in the meridian plane is approximately 1.5. Understanding these effects is valuable for assessing a practical focused intensity and describing the motion of charged particles under a strong electric field in ultraintense laser–matter interaction.

Study on the design and Zernike aberrations of a segmented mirror telescope

The segmented mirror telescope is widely used.The aberrations of segmented mirror systems are different from single mirror systems.This paper uses the Fourier optics theory to analyse the Zernike aberrations of segmented mirror systems.It concludes that the Zernike aberrations of segmented mirror systems obey the linearity theorem.The design of a segmented space telescope and segmented schemes are discussed,and its optical model is constructed. The computer simulation experiment is performed with this optical model to verify the suppositions. The experimental results confirm the correctness of the model.

大口径环形分段光学系统基准构建方法

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建,本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先,采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射;其次,利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准;之后,基于环带整体调控模式,采用共焦与曲率半径联合分析,实现曲率半径与系统对准的共同调节;最后,利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测,并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接,空间共焦基准定位精度优于125μm,共相基准覆盖范围优于20μm,精度优于0.5μm,光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制,利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度,增加了检测效率与准确度。

经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症

目的 评价经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症的临床疗效。方法 2014年3月~2019年7月,采用经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症患者26例,其中男18例,女8例;年龄21~72岁,本次手术距离腰椎固定术后3~15年。手术节段:L_(3-4)3例,L_(4-5)12例,L_(5-S1)11例;均采用经皮椎间孔镜技术治疗。术后即刻、1 d、1个月、3个月和2年进行VAS评分,术后2个月以Oswestry功能障碍指数评估腰椎功能,采用改良MacNab标准判定疗效。结果 26例患者获随访,随访时间24~36个月。患者术后较术前症状明显改善,腰痛及下肢疼痛减轻,术后即刻、1 d、1个月、3个月以及术后2年的VAS评分较术前显著降低(P<0.01),术后2年时ODI指数显著低于术前(P<0.05)。末次随访时,采用改良MacNab评分标准评定手术疗效:优21例,良4例,可1例,优良率96%。结论 经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症,对脊柱稳定性结构破坏小,减压彻底,术后患者恢复快,疗效满意。

分块式空间望远镜技术研究现状及其发展趋势

大口径空间光学望远镜是实现高分辨率遥感与高灵敏度探测的重要科学仪器。传统的整体式望远镜口径超过4 m将难以突破现有运载器整流罩有效包络的限制,采用分块式的技术手段可以在满足运载能力的前提下实现口径最大化,是解决当前望远镜高分辨率与高信息收集能力的最优选择。文章先从部署形式上对分块式空间望远镜的国内外研究现状进行了梳理,归纳出分块望远镜在技术实现路线上的技术类型和特点,分别对高精度机构展开技术、机器人智能装配技术、波前检测与调控技术以及超轻可调分块镜技术进行了技术内涵及实现技术途径分析,最后面向未来远景目标,对分块式空间望远镜的技术发展作了展望。

基于RFNA和改进LBD的镜像线特征匹配方法

针对物体和镜像之间的匹配问题,引入RNFA(Relative Number of False Alarms)边缘链检测方法获取更丰富的线段。文中提出一种改进的LBD(Line Band Descriptor)算法用于构建局部不变特征描述符,通过比较局部不变特征描述符获得初始匹配对。采用全局投影角度的筛选方式,并通过拟合投影中线的方式剔除初始匹配对中误匹配项。在完成全局投影角度的选取和投影中线的拟合后,放宽对局部不变特征描述符阈值的筛选以获得更多的匹配对,提升召回率。图像集仿真实验结果表明,文中所提算法在纹理较弱区域能够更好地识别线段,且能够在保证原算法性能的基础上获得更多的匹配对,提高5%左右的正确匹配率,并达到90%以上的召回率。

Configuration optimization of off-axis parabolic mirror for enhancing the focusability of a laser beam

We demonstrate a configuration optimization process of an off-axis parabolic mirror to maximize the focused peak intensity based on a precise knowledge of the tight focusing properties by using a full vector-diffraction theory and obtain an optimum configuration scaling rule, which makes it possible to achieve the maximum peak intensity. In addition, we also carry out an assessment analysis of the offset and off-axis angle tolerances corresponding to a 5% drop of the maximum focused peak intensity and present scaling laws for the tolerances of the offset and off-axis angle. Understanding these scaling laws is important to enhance the focusability of a laser beam by an off-axis parabolic mirror in the optimum configuration, in particular, which is valuable for structural design and selection of an off-axis parabolic mirror in ultrashort and ultraintense laser–matter interaction experiments.

Intra-cycle depolarization of ultraintense laser pulses focused by off-axis parabolic mirrors

A study of the structure of the electric and magnetic fields of ultraintense laser pulses focused by an off-axis parabolic mirror is reported. At first, a theoretical model is laid out, whose final equations integration allows the space and time structure of the fields to be retrieved. The model is then employed to investigate the field patterns at different times within the optical cycle, for off-axis parabola parameters normally employed in the context of ultraintense laser–plasma interaction experiments. The results show that nontrivial, complex electromagnetic field patterns are observed at the time at which the electric and magnetic fields are supposed to vanish. The importance of this effect is then studied for different laser polarizations, f numbers and off-axis angles.

泵房基础结构镜像分块法施工技术应用

深基坑海水泵房基础结构属于大体积混凝土结构,为解决其结构体量大、净空高、细节难控制及受场地因素影响整体施工局限性大等问题,本研究制定镜像分块法工艺,以确保在大体积混凝土施工质量稳定控制的前提下深基坑海水泵房基础结构有序作业。镜像分块法工艺结合大体积混凝土的特点分析结构的形式,将海水泵房的整体按照先从体到面、再从面到块的工序结构布置,深化剖析关键控制点,以确定控制措施、并归纳工艺特点及适用性。镜像分块法工艺在海水泵房的实际运用中,落实效果良好,达到零停顿,零延误的工序施工要求,保证了大体积混凝土质量控制要求,为后续同类结构施工提供技术保障。

傅里叶望远镜外场实验系统拼接主镜

提出了傅里叶望远镜外场实验系统拼接主镜支撑结构,详细介绍了各组件施工及安装过程.该主镜由61块六边形球面子镜拼接而成,高6 m,宽5.5 m,是我国目前用于望远镜系统中能量接收面积最大的拼接主镜.子镜采用模块化设计,互换性好且均可实现3个自由度的精密调整.支撑桁架采用分体结构设计,便于拆装和运输;地基采用混凝土浇筑预埋型钢构件,各分体组件由螺栓与地基联接为一个整体,保证结构整体刚度的同时,也满足系统对温度的适应性.通过实验验证:该主镜支撑结构稳定性优于0.075 mrad,子镜指向调整准确度优于0.05 mrad,对已安装的8块子镜进行共焦试验,光斑质心重合准确度小于20 mm,满足外场实验对拼接主镜的技术要求.

拼接镜主动光学共焦实验

为了实现对拼接镜的共焦调整,建立了拼接镜主动光学共焦实验系统。实验中,拼接镜由3块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜为球面,曲率半径为2000mm。采用Shack-Hartmann传感器进行共焦测量,用6个微位移平移台对两块子镜的离焦和倾斜进行调整。每个子镜对应Shack-Hartmann传感器的36个子孔径,用子孔径产生的像点位置偏移计算子镜之间的共焦误差。通过微位移平台调整,可控制子镜的轴向离焦误差优于1μmrms,倾斜误差在两维方向上均优于0.02″rms。实验表明,该方法适用于大型拼接镜面望远镜的共焦标定和实时调整。

大口径光学合成孔径成像技术发展现状

简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比,光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。

拼接镜主动光学共相实验

考虑拼接望远镜子镜之间保持共相位可使拼接镜达到衍射极限,本文建立了一套主动光学实验系统来测量和调整拼接镜子镜之间的相位差和精度以实现子镜之间的共相位。拼接镜由3块正六边形球面子镜组成,子镜对边长为300mm,曲率半径为2000mm。首先,使用Shack-Hartmann传感器和高精度微位移平移台使子镜之间精确共焦,使用球径仪调整子镜之间的高度差到微米量级;然后,运用白光斐索干涉原理对子镜高度差进行调整;最后,运用子孔径衍射原理测量子镜之间的高度差,并调整使其共相位。为了验证标定效果,对光纤光束进行了成像实验,受光纤直径的限制,拼接镜上用于成像的口径为100mm。实验结果显示,白光斐索干涉的测量精度优于100nm,子孔径衍射的测量精度优于16nm,共相位标定后,系统能够实现衍射极限成像,表明提出的方法适用于拼接望远镜的共相位标定。

利用四棱锥传感器检测光学拼接镜的法向光程差

研制光学天文望远镜拼接主镜时,需要精确检测各子镜单元之间的法向光程差。在对四棱锥波前检测原理分析的基础上,通过反射立方体模拟拼接镜面,开展四棱锥传感器的检测实验,验证了四棱锥传感器检测信号和拼接镜子单元间的piston误差信号之间存在确定的函数关系。在一个波长的位移行程内,目前可以达到数十纳米的测量精度。

球面拼接镜的相对曲率半径测量

为了实现对拼接镜子镜之间相对曲率半径的精确测量,提高各子镜曲率半径的匹配精度,提出了一种使用Shack-Hartmann传感器和高精度球径仪测量球面子镜相对曲率半径的新方法,并建立了一个实验系统。该方法首先使用共焦调整方法使各子镜共焦,用S-H传感器测量子镜的轴向离焦量,轴向调整压电陶瓷促动器,使由传感器测得的离焦量接近于0;最后,再对子镜进行一次共焦调整之后,使用高精度球径仪来测量各子镜之间的相对曲率半径差。实验采用的拼接镜由3块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜为球面,设计曲率半径为2000mm。分析测试结果表明,该方法测得的球面拼接子镜的相对曲率半径精度约为1μm,该方法表明适用于大型球面拼接镜面望远镜各子镜相对曲率半径的检测。

自适应光学系统MEMS微变形镜的研究

指出了传统变形镜研究所面临的瓶颈,以及采用MEMS技术研究微变形镜的优点.介绍了利用静电力驱 的平板电容式分立式微变形镜.分析结果表明它具有比传统变形镜更优越的性能.指出了进一步研究与发展MEMS微变形镜还需要解决的若干重要问题.

拼接误差对拼接式大口径反射镜成像质量的影响

以由七片边长为0.5m的正六边形子镜组成的拼接式大口径反射镜为例,理论分析和数值模拟各种拼接误差对成像质量的影响.利用傅里叶变换的特殊性质简化求解大反射镜的点扩散函数过程并推导各种误差下的解析表达式.采用快速傅里叶变换数值模拟边缘失配误差、平移误差及倾斜误差情况下的点扩散函数,并根据光学系统的成像原理模拟成像效果.结果表明,边缘失配误差对成像质量无影响,而平移误差影响较大,倾斜误差影响相对较小.

拼接镜的主动光学面形控制

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程,并研究了传感器的安装位置对面形控制的影响。根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响。提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性。分析表明,对于边长0.9 m,对角线长1.8 m的子镜,传感器错开0.02 m安装即能够准确检测子镜之间的位置变化;给出了正确的促动器调整信息,满足了拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求。

大口径拼接式合成孔径光学系统设计

介绍了一种基于三反消像散系统的大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上对子出瞳波前进行了像质评估,以实现对拼接镜面的全面仿真和分析;用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构;通过高次曲面平衡像差,并在结构优化时使用较小F数的系统增加结构对子镜失调误差的冗余度,迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统,焦距为44 m,f/8,7子镜拼接,视场角达0.6°×0.06°,通过不断迭代,获得了较好的结构和成像质量。

拼接镜面合成孔径光学系统的像质评价

拼接镜面合成孔径光学系统的出瞳波前是离散的,需要同时引入波象差和衍射光学理论来拟合最佳高斯参考球面,计算出瞳波前和波象差,并通过对像面的衍射积分,评估系统像质。对比了两种像质评估的方法:其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布,其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅进行叠加。设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPIXP干涉仪对两种方法计算的像质进行了验证和对比。结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大;在衍射极限附近,前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求,且计算量较小。