环形电子束位置测量的初步研究

对比研究了真空管道中环形电子束与位于束团中心的实心束在管道壁上产生的场分布,证明束流位置探测(BPM)技术可用于电流密度均匀分布的环形电子束位置测量。采用点密度不均匀性模型,分析了环形电子束角向不均匀性对测量精确度的影响。结果显示,当环形电子束电流密度不均匀性为10%时,对位置分辨率精确度的影响为0.1 mm。初步开展了BPM系统设计,并对纽扣电极半径和输出端口半径进行了优化设计。     

一种GW级3.2cm相对论返波管振荡器的数值模拟

提出了一种3.2cm的相对论返波管振荡器,并利用2.5维粒子模拟软件KARAT研究了引导磁场强度、电子能量、电子束环平均半径、电子束环厚度对输出微波的影响。最后,在电子束为环形电子束(电子束束环平均半径为0.95cm,束环厚度为1mm)、电子束束压为900kV、电子束束流为6.7kA、引导磁场为3.2T时,得到了1.2GW的微波输出。     

BA—510K镀膜机真空室的改装

BALZERS厂生产的BA-510K高真空光学镀膜机,具有较好的性能,如抽速较快,抽气系统能自动控制,有电子束蒸发设备,能监控膜厚等等。国内也进口了不少镀膜机,然而在镀制工件的面积,即膜厚均匀分布方面,电子束蒸发源设计及膜厚监控方面均有待进一步改善,因为这些方面是镀膜机最为重要的部件,为此,我们对BA-510K镀膜机过行了改装,设计了小型多柑涡全水冷的磁偏转电子枪代替了原来的环形电子枪,计算了膜厚分布的均匀性,改变了电子枪的位置,适当调整了蒸发源位置和球形夹具的半径,获得了最大的膜厚均匀面积,并为了用电子束蒸发氧化物等硬膜材料,改变了换监控片的方法,又采用单色仪代替了滤光片,可任意选择监控波长。     

基于无缝平凹透镜阵列的LCD背光模组设计

针对大尺寸LCD直下式背光模组的均匀性问题提出了一种无缝平凹透镜阵列,用以代替常用的扩散膜。模拟了106.68mm(42in)LED背光源的光学分布,得到了合适的透镜半径、结构以及LED阵列间距,分析了平凹透镜阵列半径和平凹透镜阵列与光源的相对位置对匀光作用的影响。结果表明:半径为1mm、厚度为2mm的无缝平凹透镜阵列较好地起到了匀光的效果,接收面的照度均匀性为88.61%。     

输入光束光斑半径变化对BOE整形环的影响

在已设计的16阶用于将He-Ne基模高斯光束转换为厚环形光束二元光学元件基础上,模拟计算了输入光束光斑半径变化对所设计的二元光学元件整形环效果的影响,模拟结果显示,当光斑半径偏离设计值在±50μm范围内,环上均匀性的均方误差不超出设计值的5%.同时,给出了输入光斑半径为1.745mm时的实验结果及660nm半导体激光实验结果.     

基于位置传感器的微细管道内表面无损检测

基于位置传感器(PSD)的特性,提出了一种长距离曲线型微细管道内表面形貌无损检测技术,开发了相应的管道内表面形貌检测器。激光束经过2次反射后,在管道内壁上形成细小的光斑。该光斑被二维PSD接收,产生4路电流信号。根据这些信号和检测器的结构参数,可以计算出对应光斑在局部三维坐标中的位置。反射镜在微型马达带动下旋转1周,使激光束完成1个管道截面环的扫描,从而得到该截面上所有采样点的相对坐标。最后对测量数据进行分割、拟合等处理,重构出截面环的形状,得到该截面处的管道半径以及缺陷情况。在微型管道机器人的带动下,可以对整条管道进行检测和三维重构。根据该技术开发的检测系统,可以实现内径在9.5~10.5 mm、曲率半径大于100 mm的曲线型长距离微细管道内表面的检测,对管道内壁缺陷的测量精度达到±0.1 mm。     

纹理不均匀物体的主动三维离焦测量

使用主动三维离焦测量对表面纹理分布不均匀的物体进行测量 ,该方法通过将点阵照明模式和空域卷积 去卷积相结合 ,解决了离焦测量的图像交叠问题和匹配问题 ,减小了纹理不均匀导致的离焦测量的影响。使用该方法 ,我们的测量精度 (标准差 )就达到 4.3mm( 1 40mm范围 ) ,相对精度为 3.0 7%。     

管道内表面圆结构光视觉三维测量系统

为保证管道运输安全,需要对管道进行定期维护和检测。采用视觉检测原理,提出了一种基于圆结构光三维视觉检测的管道内表面测量系统。针对管道内表面测量空间受限的约束,基于圆结构光视觉检测原理,提出了视觉传感器的纵向排列结构模式,并搭建了管道内表面圆结构光视觉检测系统。针对圆结构光特点,设计了圆环形平面标定靶标,实现了圆结构光检测系统的标定,并基于该圆结构光视觉检测系统对工业管道内表面进行了三维测量。实验结果表明:该系统的标定不确定度为0.081 mm,针对管道内表面,具有较高的测量精度。     

基于数值仿真的多馈微波加热温度控制系统

针对常用多模腔加热的不均匀性,对多馈口微波加热进行了研究,提出了一种基于数值仿真分析来设计微波加热系统的方法。通过建立1/2 全尺寸有限元模型进行仿真计算,分析了馈口数量对微波加热的影响,在此基础上采用Bang-Bang 控制策略设计了加热系统。其中,圆柱形谐振腔模型的高度为800 mm,半径为395 mm。腔体周围环形布置10个微波源,通过德拜模型仿真温度变化和测量值进行对比,验证了仿真模型的正确性。不同馈口数的COMSOL仿真结果表明,馈口数为4时,温度变异系数(COV)为0.0897,相比于一个馈口的情况,温度的均匀性提高了10.5%。通过实验测试了微波加热系统性能,实验结果表明,媒质温度能得到合理控制。     

微细孔壁缺陷检测的非对中补偿

为了满足小型化、微型化的微细管道管内测量需求,采用外部光源导入、内部图像导出的新思路,突破管道内壁检测方法中传感器内置的传统模式,解决了微细管道内部空间狭小的难题。在实验室前期研究工作的基础上,完善了系统测量方案,并针对检测系统的关键难题,即视像管与待测管轴线对中问题进行了深入研究,分析了该问题对系统测量结果的影响,建立合适的数学模型,提出了基于图像畸变矫正技术的补偿方案,以提高系统的测量精度。结果表明,搭建测量系统,对直径12mm的微细管道内壁上直径为0.6mm,0.8mm及1.0mm的微孔模拟缺陷进行了重复性测量,应用补偿方案后的测量结果均值误差小于0.02mm,标准差不超过0.03mm。所提出的图像畸变矫正方案能够解决视像管非对中造成的影响,满足微细管道内壁缺陷高精度测量的要求。     

贝塞尔光束通过环形硬边光阑的ABCD光学系统传输

通过把环形光阑函数展开为复高斯函数的方法,推导出贝塞尔光束通过有环形光阑限制的近轴ABCD光学系统的传输近似解析公式。通过数值计算,对贝塞尔光束通过环形光阑的传输特性进行了详细的研究,给出了光阑内、外半径等参数对光强分布的影响规律。     

基于非球面镜像差效应的长焦深高斯光束均匀化光学系统设计

近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而,高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度,实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布,但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此,本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统,系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成,所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜,能够实现99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为1064 nm,工作距离为1000 mm,系统总长为135.2 mm,耐受激光功率不小于300 W。设计结果表明:整形后的平顶高斯光束有效焦深为±100 mm,光束均匀性≥95%,会聚角为17.52 mrad,能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统,具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。     

激光非均匀性和内光路热效应对远场特性的影响

高功率高能激光在光束控制系统(或称为内光路)中的传输距离比长程大气传输要短得多，但高功率密度的激光束在通过内光路时的热效应对远场光束质量会有显著影响。采用自编的四维仿真程序，详细计算了沿x方向呈线性变化的环状高功率激光束通过内光路的传输。用像散参数、桶中功率(PIB)和峰值光强位置描述了远场光束质量。研究表明，内光路的热效应(热晕)使得光束的峰值光强和可聚焦能力下降，降低了远场的光束质量，初始光束的非均匀性会影响光束的可聚焦能力并引起像散。值得指出的是，热晕是一种非线性效应，会影响光强分布和引起远场峰值光强位置的移动，对此给出了物理诠释，并用数值计算证实了物理分析。     

非傍轴双曲正弦高斯光束质量因子M2的研究

在标量光场角谱衍射理论的基础上,应用精确光强定义下的非傍轴标量光束的光强二阶矩理论,计算了非傍轴双曲正弦高斯光束的束腰半径、远场发散角、质量因子,并与傍轴双曲正弦高斯光束的质量因子进行了比较研究。数值计算表明,当双曲正弦高斯光束束腰半径较大时,传统光强定义下的光强二阶矩理论近似成立,傍轴与非傍轴理论计算的光束质量因子变化规律完全相同;束腰半径较小时,傍轴理论计算的结果有较大误差,必须采用精确光强定义下的非傍轴光束质量因子的定义作修正。     

平面近场测试高斯波束束腰半径的方法

高斯波束理论广泛应用于准光学、毫米波领域,束腰半径作为高斯波束最重要的参数,在工程应用中具有重要价值,有必要对其进行精确测量。提出了一种基于平面近场测试高斯波束束腰半径的方法,对准光学、毫米波装置的出射波束进行平面近场测试,根据采集的近场数据,反演远场方向图计算出束腰半径大小。进一步对近场电场数据进行高斯函数拟合及后处理,并利用高斯波束传输理论计算出束腰半径位置。本方法完全借用平面近场测试条件,通用性好,特别是解决了大口径装置束腰半径难以测试的难题。     

环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

高功率激光束的远场特性研究

采用场振幅沿x方向呈线性变化的非均匀光束模型,研究了非均匀场分布和内光路非线性热效应对远场特性的影响。研究表明,初始光束的非均匀分布会影响可聚焦能力,并引起像散。内光路的热效应会进一步减小可聚焦能力和加剧像散。此外,由于热效应,远场峰值光强要降低,且位置发生移动。     

大功率扩散冷却型Slab CO2激光器光束质量的研究

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO2激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO2激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO2激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.