平行传输阵列光斑器件的研制

本文基于周期物体的自成象效应,研制了二元位相光栅型平行传输阵列光斑器件。16×16,32×32等二维二元π/2及2π/3位相光栅阵列器件,在500mm 的传输距离内,边长为0.3及0.4mm 的方形单元光斑,其光束扩展率<1%。为光数字处理及光计算等系统研制了一种有实用价值的阵列器件。本文由衍射理论及数值分析对该器件的设计原理、技术特点等进行了理论分析,并给出了实验结果。     

交变光场时空耦合型位移测量系统的研制

针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题,设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上,建立了该系统的理论模型和误差模型,通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因,根据误差来源改进了测量装置的结构,优化了相应的参数。实验结果表明:在180mm测量范围内,用栅距0.6mm的测量系统实现了±0.4μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题,结构简单、安装方便,为光学位移测量提供了新思路。     

单光场时栅位移传感器散射角误差分析及优化

光场式时栅传感器采用光强调制的方式解决光栅对制造工艺的依赖,但提高了对光源出光特性的要求。通过对测量原理的分析,建立了单光源散射二维误差模型,分析了光源散射对电行波信号幅值和相位的影响,并通过仿真分析得出光源散射对测量的影响主要为一次和二次谐波误差成分,与未优化光源测量的主要谐波误差成分相吻合。提出一种光线空间约束的优化方法,采用切面迭代法设计准直透镜减小光源发散角,仿真结果表明所设计的光源发光半角从±60°降低到±10°。搭建实验平台进行验证,结果表明：在栅距0.2 mm的单周期测量范围内,与未优化光源对比,添加准直透镜的测量误差从±5.6μm减少到±1μm,其中一次、二次谐波误差成分得到明显抑制,100 mm范围内的长周期测量误差为±8μm。实验结果验证了散射角误差模型的正确性和准直透镜抑制效果的可行性。     

用于飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模研制

利用严格耦合波理论分析了用于520 nm波长飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模的衍射特性,当相位掩模是矩形槽形时,占宽比在0.32~0.43之间,槽形深度在0.57~0.67μm之间时,能够保证零级衍射效率抑制在2%以内,同时±1级的衍射效率大于35%。在此基础上,利用全息光刻-离子束刻蚀技术,制作了用于520 nm波长飞秒激光的周期为1067 nm、有效面积大于40 mm×30 mm的相位掩模。实际制作的相位掩模是梯形槽形,槽深是0.665μm,分析了梯形槽形中梯形角对衍射效率的影响。实验测量表明,该相位掩模的零级衍射效率小于2%,±1级衍射效率大于40%,满足飞秒激光制作光纤光栅的需要。     

二维点列式激光多普勒法测量物体速度

提出了一种二维点列式激光多普勒测量方法,用于捕捉轨迹有一定波动范围的空间运动物体的速度信息。该方法使衍射光栅产生的多束相干光在空间某探测位置相交,从而形成一个结构可调的二维探测体阵列。当物体轨迹的波动量在二维阵列范围内时,系统即可以获得其速度信息。与扩展光束型的多普勒测速系统相比,该方法具有空间分辨率高及能量集中等优点,因此可以用于远距离探测。另外,对固体表面散射光的多普勒信号进行了分析及模拟。结果表明:测量结果与模拟结果相一致,且经频谱校正后的平均误差可以达到1.63%。该系统结构易于集成,调节方便,适用于轨迹有一定波动量的空间物体的速度测量。     

基于伪随机编码的绝对式平面位移测量方法研究

数控二维工作台是加工机床、坐标测量机、显微镜、机器视觉检测设备的共性基础模块部件,二维工作台采用平面二维绝对测量系统可减小传统二维方向分别贴装位移传感器引入的阿贝误差,提高二维位移平台设计的集成度,实现对空间绝对位置的实时测量。研究了基于伪随机序列的二维平面绝对测量编码技术及其测量系统,利用伪随机M序列生成长距离位置编码并进行二维拓展,完成了平面位置二维编码的设计,研究了相应的高效解码算法。基于编码和解码算法,制作了二维平面编码盘,研制了基于FPGA的读、解码测量系统,对编码图像采用灰度重心法进行细分以提高测量分辨率。经实验验证,绝对式二维编码测量系统的平面单点位置偏差在±3.3μm以内。     

一种基于切趾波带片产生局域空心光束的新方法

根据相移切趾器原理设计了七环π相移切趾波带片,准直光束经波带片与透镜聚焦后产生局域空心光束。理论上根据标量衍射理论研究局域空心光束的光场分布,并对其光强分布进行仿真,证明光束的三维"密闭性"。实验中基于空间光调制器与透镜相位得到暗斑最大半径为50.4μm的局域空心光束,且光强为零,其实验结果与理论分析基本吻合。     

大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。     

Ion beam etching of large aperture diffractive optical elements

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展.针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450 mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1％.建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率.利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件.     

位相和坐标调制的多相位值相息片的优化设计

一、引言近年来人们提出了许多形成光束阵列发生器的方法。其中较常用而且有效的一种方法是使用二值化的衍射光栅。这种由Dammann 提出、由其它人发展的Dammann 光栅是一种具有二值化的相位值并且在一个周期内各单元尺寸不同的透射或反射光栅。在光栅一个周期内设计不同尺寸的单元,以获得所需的衍射级数和衍射级数的光强分布。最近Turunen 等人提出了一种设计多相位值相息片(MPK)的新方法。MPK 是一种具有多相位值并且每个单元尺寸都相同的透射或反射光栅。在光栅的一个周期内各单元的相位值由设计而定,以达到所需的衍射级数和光强分布。经过优化设计的多相位值相息片,同二值化相位值的Dammann 光栅相比,具有较高的衍射效率和较低的噪声。本文报导了一种具有不同单元尺寸的MPK(称为改进型的MPK)的优化设计。相息片中的光栅的一个周期内每个单元的相位值和坐标值都可作为优化MPK 的特征函数的变量。所采用的优化算法为模拟退火法。本文还分析了诸如分辨率和刻蚀深度等影响制作相息片工艺的因素。     

极紫外宽带Mo/Si非周期多层膜偏振光学元件

研究了极紫外宽带多层膜偏振光学元件,包括反射式检偏器与透射式相移片。基于Mo/Si非周期多层膜结构,采用解析与数值优化相结合的方法进行了多层膜的设计;采用磁控溅射技术制备了多层膜。利用X射线衍射仪对非周期多层膜的结构进行了表征,利用德国BESSY-II同步辐射实验室的偏振测量仪对多层膜的偏振特性进行了测试。测量结果表明,在13~19 nm波段,s偏振分量的反射率高于15％;在15~17 nm波段,获得了37％的反射率。宽带多层膜同样可作为宽角偏振光学元件,在13.8~15.5 nm波段,宽带透射相移片的平均相移为41.7°。采用所研制的宽带多层膜相移片与检偏器,建立了宽带偏振分析系统,并对BESSY-II的UE56/1 PGM1光束线的偏振特性进行了系统研究。这种宽带多层膜偏振光学元件可以极大地简化极紫外偏振测量。     

An optical lever by using a mode-locked laser for angle measurement

A new concept of optical lever for angle measurement having an extended angular measurement range with a mode-locked laser as the light source, which is significantly extended from the conventional photodiode (PD)-type optical levers with a single frequency laser, is proposed. In the proposed concept, a collimated laser beam of the mode-locked laser is made incident to a grating reflector to generate a group of first-order diffracted beams from the grating reflector. Differing from a conventional PD-type optical lever employing a laser beam with a single frequency as the light source, the angle measurement range can be significantly expanded for the sake of the group of widely-spread first-order diffracted beams. In addition, the proposed optical lever has a potential of assuring the traceability of angle measurement by linking it to the optical frequency comb based on the mode-locked laser, which is employed as the national standard of time and frequency. In this paper, as a first step of this research, a mode-locked femtosecond laser is employed as the light source of the proposed optical lever. To distinguish each of the first-order diffracted beams generated with the combination of the mode-locked femtosecond laser and the diffraction grating having a grating period of 1.67 μm, a Fabry-Pérot etalon is employed in the setup of the optical lever to modulate the distance between two neighboring beams in the group of first-order diffracted beams. Experimental setups are developed, and basic experiments are carried out to verify the feasibility of the proposed optical lever.     

全自动生化分析仪用分光光度计

结合国家九五攻关"全自动生化分析仪的研制与开发"项目,研制了一种用于全自动生化分析仪的紫外 可见分光光度计。该分光光度计采用全息凹面平像场光栅为分光元件,以硅光电二极管阵列为探测器。光度测试采用后分光技术,从光源辐射的复合光先经样品溶液吸收后再由全息凹面平像场光栅分光,光电二极管阵列同时接收12路光谱信号,多个光谱信号同时检测,实现快速测量。     

多方向金属光栅偏振器及在偏振导航中的应用

在同一聚碳酸酯基底上制作了6个不同方向的双层金属光栅偏振器,用于消除分立器件带来的安装误差。将该偏振器应用于偏振导航传感器上并进行了测角精度测试,基于神经网络法研究了角度测量的误差补偿方法。首先,基于严格耦合波理论设计了一种亚波长双层金属光栅偏振器,分析了它的周期和金属厚度对偏振器性能的影响,其在510nm波长入射时TM偏振光透射率高于71%,消光比大于2 100。应用纳米压印技术在聚碳酸酯基底上加工制作了设计的偏振器,其基底上设有6块结构参数相同但朝向不同的双层金属光栅结构。将此偏振器安装在偏振导航传感器上并在测试平台上测试了测角精度,测试的原始误差在±1°以内;经BP神经网络法误差补偿后,测角误差在±0.2°以内。得到的结果可较好地满足偏振导航的要求。     

偏振对于光纤光栅传感器工作性能影响的研究

基于布拉格衍射理论的光纤光栅传感器应用于温度、浓度、应力等参量高精度测量,通常要求高精度的波长分辨率。当入射光波前有偏振态存在时,将会对光栅系统的波前测量结果产生误差。在保偏光纤中,偏振对于光栅的影响尤为严重。当光栅周期与光栅矢量排布方向发生改变时,它与带有偏振信息波前作用后的衍射波前也会发生变化,而且在不同的衍射级上影响会有所差异,在精密波前检测方法中往往忽略了这种差异,从而对于光学波前的高精度检测存在误差。本文基于有限时域差分算法,计算在不同偏振态光束入射以及不同光栅周期与光栅矢量排布时偏振对于检测精度的影响。最终得到在不同偏振态光束入射时,光栅采用不同期与矢量排布,对于衍射波前的误差反应。     

Grazing incidence extreme ultraviolet spectrometer fielded with time resolution in a hostile z-pinch environment

This recently developed diagnostic was designed to allow for time-gated spectroscopic study of the EUV radiation (4 nm < λ < 15 nm) present during harsh wire array z-pinch implosions. The spectrometer utilizes a 25 μm slit, an array of 3 spherical blazed gratings at grazing incidence, and a microchannel plate (MCP) detector placed in an off-Rowland position. Each grating is positioned such that its diffracted radiation is cast over two of the six total independently timed frames of the MCP. The off-Rowland configuration allows for a much greater spectral density on the imaging plate but only focuses at one wavelength per grating. The focal wavelengths are chosen for their diagnostic significance. Testing was conducted at the Zebra pulsed-power generator (1 MA, 100 ns risetime) at the University of Nevada, Reno on a series of wire array z-pinch loads. Within this harsh z-pinch environment, radiation yields routinely exceed 20 kJ in the EUV and soft x-ray. There are also strong mechanical shocks, high velocity debris, sudden vacuum changes during operation, energic ion beams, and hard x-ray radiation in excess of 50 keV. The spectra obtained from the precursor plasma of an Al double planar wire array contained lines of Al IX and AlX ions indicating a temperature near 60 eV during precursor formation. Detailed results will be presented showing the fielding specifications and the techniques used to extract important plasma parameters using this spectrometer.     

基于平场光栅的分光光度计在生化分析仪中的应用

采用先进的全息凹面平场光栅作为分光元件和后分光光度测量结构,结合生化分析仪的应用,完成软硬件系统的设计。以硅光电二极管阵列作为探测器,同时接收8路光信号。MSC1210、TUSB3410分别作为核心控制和接口单元,简化电路设计易于程序升级改造。并以电子学方法实现双波长测量。提高测量的准确性和测量效率。     

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义.考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM).利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测.针对厚度40mm碳钢中长度4mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±...     

基于卡滞响应的翼面偏转自动切换技术

为了验证水陆两栖飞机结构对CCAR-25-R4部25.305,25.307条款要求的符合性,要求当全机加载到限制载荷时,需要在规定时间内一次性获取活动翼面的最大正负偏角。针对此问题,提出了基于卡滞响应的翼面偏转自动切换技术,并将该方法应用于大型灭火/水上救援水陆两栖飞机稳定俯仰2.5 g工况限制载荷静力试验中,顺利完成了试验。试验结果表明,该方法是可行和有效的,同时为后续试验提供技术支撑。     

大尺寸旋光晶体内反射偏振特性的研究

用标准水溶液法生长出的长30.62mm、宽29.20mm、高28.34mm的透明的大尺寸立方体氯酸钠晶体。以一束线偏振的He-Ne激光入射到氯酸钠晶体,使在其内部以布儒斯特角33.42°内反射并再经过全反射出射。首次从理论和实验的两方面对该大尺寸氯酸钠晶体内反射时的偏振特性做了研究,发现在消光位置,氯酸钠晶体入射光的偏振取向较之普通玻璃的入射光偏振取向旋过了87.43°。