亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学设计

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"量级的空间分辨率,很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征.为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程,需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据.鉴于此,本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,相比现有仪器,系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测.性能评价结果表明,系统在62—80 nm,92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4",光谱分辨率均优于0.007 nm,光谱成像质量接近衍射极限,对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值.

变栅距光栅的衍射效应与特性分析

变栅距光栅夫琅禾费衍射图样中高频信息和低频信息的混叠现象将会导致无法分析获得对应结构特征参数。为解决这一问题,实验方案从原理上借助条纹分析中具备局域分析特性的伸缩窗口傅里叶变换思想,结合夫琅禾费衍射原理,对变栅距光栅衍射图样进行理论分析推导,建立局部光栅衍射强度分布特征与结构参数的关系。然后在传统夫琅禾费衍射光路系统中,通过引入宽度可调谐的狭缝充当窗函数,对变栅距光栅进行分割以及局部光栅衍射图样分析。最后,基于MATLAB自主开发数值分析软件系统,进行数值仿真以及光学实验分析,根据对应的衍射强度分布特征,实现对变栅距光栅结构特征参数的检测。实验对三种变栅距光栅的衍射效应与特性进行了研究分析,根据实验拍摄的衍射图样成功获得变栅距光栅结构特征参数,并与将其理论数值仿真结果对比,误差分析表明本方案是合理可行的。

柔性变栅距光栅角位移传感器的精度分析与工艺实现

研制了用于采集和反馈飞机舵面位置信息的柔性变栅距光栅角位移传感器。分析了影响传感器精度的主要因素,给出了制备过程所采用的精密成型工艺。首先,根据柱面变栅距光栅在柔性变栅距光栅角位移传感器中的核心作用,介绍了传感器的工作原理;分析了工艺误差对传感器精度的影响,提出了柔性变栅距光栅精密成型为柱面变栅距光栅后内表面圆度应不大于0.01 mm。在圆度对传感器精度影响的量值基础上,采用了柱面变栅距光栅精密成型工艺。最后,利用有限元仿真分析了柱面变栅距光栅精密成型工艺的可行性。实验结果表明:柱面变栅距光栅内表面圆度达到0.004 3mm,传感器的线性度达到最大工作角度的0.27%,满足了航空机载传感器的精度要求。

变栅距光栅光谱分辨研究

基于夫琅禾费衍射理论,推导了平行光入射变栅距光栅后衍射光强的角度分布。计算了变栅距光栅参数相同,入射光斑宽度分别为5 mm和10 mm时,衍射光的分布特点和变栅距光栅参数不同,入射光斑宽度为10 mm时,衍射光的分布特点。实验验证了不同入射光斑宽度对光纤式变栅距光栅位移传感器分辨率的影响。结果表明:基于变栅距光栅的衍射特点,入射光斑直径的大小是影响传感器分辨率的一个重要因素。

变栅距衍射光栅的原理及应用

变栅距衍射光栅 (VLS)在像差校正等方面具有突出优点 ,采用不同的栅距变化规律的变栅距光栅具有不同的光谱特性 ,因而在众多的高技术领域获得了广泛应用。本文从VLS的像差校正原理出发 ,较全面地阐述了VLS在真空紫外和软X射线、高分辨率光电探测器、表面干涉计量以及光纤通讯等领域的应用 ,并针对其技术特点指出了它的发展趋势。

极紫外波段变栅距光栅刻槽密度变化及光谱分辨能力分析

针对应用于50~150 nm波段的变栅距光栅,采用球面波曝光系统进行优化设计,分析了不同宽度光栅的刻槽密度变化和光谱分辨能力。理论分析结果表明,光栅宽度为4 mm时,理论分辨能力高于14 000;光栅宽度为10 mm时,理论分辨能力约为9 000;光栅宽度为30 mm时,理论分辨能力急剧下降,约为3 000。光栅的宽度越大,其刻槽弯曲程度就越大,光栅的光谱分辨能力就越低,因此球面波曝光系统只适合制作宽度较小的变栅距光栅。

一种可控曲面光栅的研制

提出了一种制作曲面变间距光栅的方法。首先在平面基片上制作光栅,然后通过一种高分子材料(PDMS)作为载体将光栅转移到曲面上,而事先涂在曲面上的混合溶胶-凝胶取代了传统的光刻胶,使得光栅的制作效率大大提高。采用这种方法在曲率半径为100 mm的凹球面基底上制作了平均线密度为80 l/mm的光栅,并用环境扫描电镜以及数字图像处理法检测了光栅的线密度分布。检测结果表明:光栅质量好,条纹清楚,衍射效率也没有降低。所制曲面光栅具有平面光栅和透镜两种光学器件的功能,可用曲面变间距光栅一种光学元件取代透镜和平面光栅两种光学元件,简化了光路,提高了制作效率,降低了成本。

软X射线磁性圆二色光束线的调试和实验

合肥国家同步辐射实验室二期工程建立了基于软X射线吸收的光束线和实验站。光束线采用了平面变线距光栅单色器,可以提供100—1000eV的单色光,在1000eV处当分辨本领为1000时,光子通量可以超过108s-1。光束线的焦点尺寸是3mm×1mm。在该设备上已经获得软X射线磁性圆二色吸收谱和C、N、O的K吸收边的近边吸收谱。

变栅距闪耀光栅相对衍射效率的计算方法

提出了一种变栅距闪耀光栅相对衍射效率计算方法,它是基于变栅距闪耀光栅衍射强度分布公式得出的。该方法简洁、有效,虽然有一定的近似性,但在工程设计上仍有较强的指导性。此外,还得出变栅距闪耀光栅参数对其衍射效率的影响规律,对优化制作工艺提供了理论依据。

多模态函数优化的拥挤聚类遗传算法

对多模态函数优化问题,分析了各种小生境策略;将拥挤模型与聚类算法相结合,提出了一种拥挤聚类遗传算法.拥挤模型在适应值曲面上形成多个小生境,聚类算法消除了每个小生境内部的基因漂移现象.理论分析证明了算法的收敛性能.数值实例表明,拥挤聚类模型在多极值搜索的数量、质量和精度上都优于拥挤模型与确定性拥挤模型.将拥挤聚类遗传算法应用于国家同步辐射实验室变间距全息光栅的设计,取得了满意的效果.*

采用弹性基底制作变间距光栅

提出了一种新的制作变间距光栅的方法,即利用软刻蚀在厚度变化的硅橡胶(PDMS)上制作等栅距的光栅结构,然后对其拉伸加载,使其成为变间距光栅。对所制作好的变间距光栅采用基于衍射原理的逐点扫描法检测其线密度的分布,同时用经典理论推导了光栅表面的线密度分布,并对两种方法所得结果进行了比较发现,检测结果与理论分析结果相吻合。研究结果表明,这种制作变间距光栅的方法是可行的,与传统的制作方法相比,具有间距连续变化、变化规律不受光路控制以及制作成本低等优点。

极紫外平场光栅光谱仪的研制和性能测试

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪,用于磁约束等离子体诊断。采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件,光栅公称线密度为1 200lines.mm-1,掠入射角为3°。一台可深度制冷、背照式面阵CCD作为光谱探测器,用机械快门控制曝光时间。通过CCD在光谱聚焦面的移动,可以记录的光谱范围为5～50nm。用Penning放电光源测试了光谱仪的性能;利用光源的标准谱线,进行了波长标定,波长精度为0.003nm,并计算出系统各参数的实际值;当入缝宽度设置为30μm时,在20nm附近,光谱分辨率达0.015nm,达到设计指标。

基于光纤传感网络的变截面复合材料低速冲击定位

为了检测复杂复合材料结构的冲击内部损伤位置,构建了基于光纤传感网络的变截面复合材料板低速冲击监测系统。采用可检测结构应变场的光纤光栅传感器,在恒温下监测并分析了变截面复合材料板的冲击响应信号,利用经验模态分解方法提取冲击信号频谱特征,通过自回归模型将频谱特征量建模,最后利用样本信号与待测信号之间的马氏距离判定冲击信号位置。实验结果表明基于光纤光栅传感网络、经验模态分解和自回归模型的变截面复合材料板低速冲击定位方法可行且最大相对误差为4.27%。

全数字反馈高性能直线伺服电机的机电系统设计

提出一种全数字反馈的新型高性能直线伺服电机的机电系统设计方法 ,包括硬件及控制系统。系统采用光栅位移测量方法和 DSP高速信号处理器实现信号的采集和处理 ,应用了基于非线性状态观测器的控制算法 ,系统的机电动态特性、控制误差和跟踪特性均得到很大的提高。

线性啁啾相位掩模的设计

啁啾相位掩模法是啁啾光纤光栅的一种非常重要的制作方法。本文研究讨论了用全息干涉方法制作线性啁啾位相掩模的设计方法,提出用两球面波干涉产生条纹密度随空间距离线性变化的干涉条纹记录啁啾位相光栅,按设定光栅端点空频和端点空频差两种优化设计方法设计了长度100mm、啁啾量1nm/mm的线性啁啾光栅,理论和实验结果给出两种设计方案的非线性系数分别为2.5%和1.6%,理论设计和实验结果相符。

平面变线距光栅衍射场的解析表达式

利用多缝干涉原理计算了平面变线距光栅的衍射场分布 ,给出了它的主极大位置、半宽度等物理量 .讨论了该光栅在成像参量变化时对光栅衍射场的影响 ,得到了变线距光栅单色器参量变化的限制范围 .

全息法制作VLS光栅及其性能研究

在全息光路中设计采用球面波与非球面波代替平面波的技术,制作了VLS光栅。用遗传算法分析了VLS光栅的栅距变化规律,实现了光路优化。观察了VLS光栅的衍射图像,分析了VLS光栅性能。实验检测证明,球面波与非球面波干涉法制作的光栅的确是VLS光栅,与理论相符。

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.

一种新型变栅距闪耀光栅位移传感器测试系统

针对变栅距光栅线位移传感器的不足,提出一种新型传感器测试系统。采用的自主研制的宽带LED光源体积小、效率高,是光位移传感器较为理想的宽带光源;传感器本体使用了变栅距闪耀光栅与套筒式运行机构;信号处理由色敏解调器与数字信号处理器(DSP)完成,制作了新型测试系统样机并进行测试,符合飞行控制系统一般测试精度要求,提高了测试系统的动态特性,实现了小型化、工程化。

变线距全息光栅的在线检测

变线距平面光栅单色仪具有自动聚焦、消慧差、分辨率高以及装置简单等特点,在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景。变线距平面光栅的全息制作越来越受到人们的关注,但变线距光栅的全息制作必需有高精度的密度检测技术,尤其是需要在线检测技术相配合。文中应用干涉云纹法和条纹图像处理技术,对全息光栅制作过程中的光栅线密度进行了在线检测,并给出了检测原理。讨论了变线距光栅线密度的表述,推导出了检测变线距光栅线密度的相关公式,介绍了变线距光栅线密度的在线检测原理以及干涉条纹图的处理方法。