激光调阻机的光学系统设计

激光调阻机是通过激光打点切割,改变电阻体的导电截面积,从而达到把低于目标阻值的电阻体阻值修调到要求阻值允许的偏差范围内,适用于片状电阻器的快速大规模生产.在激光调阻过程中,通过高精度的数字电桥实时监测阻值变化,控制调阻进程,辅之以系统复杂的机械手操作,脉冲激光器高频输出,光束精确定位控制及其它机电操作控制,自动完成每小时十几万支电阻的调修生产,是集光、机、电一体的现代化高科技生产设备.调阻机光学系统主要由三部分组成:1)光源系统,2)光束扫描系统,3)光学监视系统.光源系统包括激光器、光束能量衰减器、扩束器等.作为激光调阻机的加工用光源,其特性参数对调阻效率、精度有直接影响,本机采用Nd∶YAG声光调Q脉冲固体激光器,光束模式为TEM00模.激光调阻时,薄膜电阻材质不同,所需要的激光功率也不同,通过在光路中加入衰减片的方法,可获得稳定的调阻功率.光束扫描系统由双向扫描振镜和聚焦f-θ透镜组构成,前者实现光束按要求偏转,后者对光束进行聚焦,使其焦点位于电阻片表面.聚焦镜头由多片透镜组成,除有普通光学系统的一般要求外,还要求该镜组达到扫描距离与扫描角度成线性关系.光学监视系统包括分光镜、变焦镜头、CCD相机和照明光源等.分光镜经过特殊镀膜处理,以实现对不同波长光的透过及反射要求.调阻用的激光是单色光,f-θ聚焦镜组在设计时无须考虑消色差.照明光源采用高亮度红光二极管,可获得清晰的观察效果.(OE33)     

二维动态测角仪

在三轴稳定静止气象卫星上,成像辐射计要通过二维扫描来完成对地球圆盘的成像.二维扫描有着与一维扫描不同的光学与动力学特性.它的图像定位与配准要求较高,研制难度较大.因此,二维扫描成像技术是我国发展新一代静止气象卫星的关键技术.在二维扫描技术中,扫描精度和稳定性是非常关键的两个指标,直接关系到图像质量.二维动态测角仪是二维扫描技术中解决二维扫描测试问题的基本工具.其作用是动态地测量和跟踪扫描镜的转动角度和步进步距角,从而检测二维扫描辐射计的精度.     

激光转镜扫描系统中自由曲面f-物镜的设计

为了满足扫描系统高分辨率、大工作面、小型化的需要,设计了一款具有衍射受限聚焦能力的超广角f-物镜。在此基础上,针对五面转镜引起f-物镜入瞳偏移从而导致系统分辨率降低、线性畸变增大的问题进行了分析,计算得到光瞳偏移量与扫描转角存在非对称分布的非线性关系。采用在系统中引入含有奇次高阶项自由曲面校正光瞳漂移的方法,在ZEMAX软件中利用多重结构对f-转镜扫描系统建模优化设计,并给出了设计实例。该物镜采用远摄型结构,有效减小了扫描系统总体长度及透镜尺寸。结果表明,经优化校正后,f-物镜性能得到显著改善,在其扫描角度115范围内,线性畸变小于0.5%,60%以上能量集中在半径30m圆内。该f-扫描系统具有结构紧凑、分辨率高、线性畸变小等优点,有良好的适用性。     

大入瞳距双通道红外投影系统设计

由于受光学系统结构和使用条件的限制,红外投影仿真系统要求目标/干扰发生器共用一个光学系统,入瞳距大于1000 mm,光学件质量小于等于3 kg,体积限制在Φ250 mm×480 mm范围内.在原理设计上,采用无焦系统与后聚焦镜组的复合方式,在平行光路中加入平面耦合镜,实现了在大入瞳距条件下,目标/干扰共用同一光学系统的设计.此外,系统中采用了两个非球面,保证了系统在较少的光学零件情况下具有优良的像质和要求的透过率.同时,只需沿轴移动最后一组透镜,就可以实现调焦.最终设计结果为:全系统共有11个光学零件,质量约2.5 kg,入瞳距1050 mm,最大口径为220 mm,全视场MTF大于等于0.7,90%能量集中在20 μm 弥散圆内,满足了系统要求的各项技术指标.     

多波长、大工作面折-衍混杂f-θ镜头设计

目前国内用于激光扫描系统的f-θ镜头的工作面积一般不超过350 mm×350 mm.国外虽有面积较大的f-θ镜头,但结构相当复杂.为了能够得到工作面积大而且结构相对简单的f-θ镜头来满足扫描系统的要求,利用二元光学元件的特殊色散性质,设计了工作于808～1 064 nm波段的折-衍混杂f-θ镜头,激光扫描范围为450 mm×450 mm.它由四片两种普通玻璃球面透镜构成,光学筒长不到120 mm.该镜头结构简单紧凑,单波长工作时聚焦性能达到衍射极限、线性畸变小,能够满足现代多工作波长激光扫描系统的实际需求.     

3维激光振镜扫描系统的关键技术研究

为了设计可用于大幅面扫描的3维激光振镜扫描系统,深入研究了3维激光振镜扫描系统的动态响应性能及控制算法、校正算法,采用具有高响应性能的伺服机构作为系统的执行机构,合理地规划扫描路径以及扫描延时参量,设计了对扫描图形进行精确校正的扫描校正模型,开发出了一套能实现大幅面精确扫描的3维激光振镜扫描系统.该3维激光振镜扫描系统经过长期实验验证,运行稳定,其扫描重复定位精度不大于30靘,扫描精度可达100mm±0.1mm.结果表明,该3维激光振镜扫描系统在需要进行大幅面精确激光扫描行业中有重要应用价值.     

大口径望远系统中主次镜系统的装调方法

为了实现大口径望远系统中主次镜系统的装调,并提高光学成像质量,采用了一种调整主次镜相对位置的新方法高精度光学定心法。该方法不同于传统的修切垫圈调整法,可同时消除主次镜系统中因次镜相对主镜的倾斜引起的像散及因次镜偏心引起的彗差,不仅大大降低了装调难度,而且消除了系统的不稳定性。另外,通过干涉自准检验和十字丝代替光轴相结合的办法,建立了一套新的主次镜系统的检验方案。通过对主镜口径为Φ520mm的R-C系统的实际装调和检验表明,组合前后主、次镜两组件的面形波像差均方根值(RMS)均小于等于0.03λ(λ=632.8nm),主次镜光轴角晃动量分别为0.72″、2″,两个镜子的光轴与其各自镜框端面的垂直度均小于等于0.005mm,主次镜系统同心度小于等于0.01mm,满足系统面形波像差均方根值小于等于0.07λ的设计要求。     

新型高功率激光加工用激光光束展宽方法的探索性研究

探索性地提出了一种基于新型扇形类抛物面聚焦镜的高功率激光加工用激光光束的展宽方法,并对该方法的实现原理和光路设计进行了研究与相关实验验证。根据几何光学原理,采用光线追迹的方法,对实际激光光束经新型光束展宽系统变换后的聚焦特性进行了分析。理论结果表明,通过光束展宽系统变换后,能够将原始圆形激光束连续扫描展宽为光强分布均匀的大尺寸(20~500 mm)弧形条状聚焦光斑。利用横流CO2激光器,对该光束展宽系统的实际光学变换特性进行了初步实验研究,实验结果与理论结果相符合。     

基于157nm深紫外激光的蓝宝石基片微加工

为了探索157nm深紫外激光对蓝宝石材料的微加工技术,采用157nm激光微加工系统,对蓝宝石基片进行了扫描刻蚀和打孔加工,以研究激光工艺参量与刻蚀深度、表面形貌的关系,分析了157nm深紫外激光对蓝宝石材料的作用机理,并利用扫描刻蚀法在蓝宝石基片上加工了一个2维图形。由实验结果可知,157nm深紫外激光作用于蓝宝石材料是一个光化学作用与光热作用并存的加工过程,适合扫描刻蚀的加工参量为能量密度3.2J/cm2,重复频率10Hz～20Hz,扫描速率0.15mm/min;在能量密度2.5J/cm2下的刻蚀率为0.039μm/pulse。结果表明,通过对激光重复频率和扫描速度的控制可实现蓝宝石材料的精细微加工。     

激光扫描弧形柱面聚焦系统的研究

为了解决在柱面等曲面上激光打孔的问题和提高打孔成型效果,提出了一种扫描弧形柱面聚焦方案,系统将CO2激光器发射的脉冲激光调制后,入射到柱面聚焦镜压缩为线性光斑,之后经由旋转反射棱镜实现激光扫描,线性扫描光斑在经过弧形柱面聚焦镜后在曲面上聚焦为圆形光斑,实现了对光束的整形和曲面打孔。结果表明实现了在曲面上0.15mm大小的光斑,满足了包括烟支在内的工业生产需求,与传统的平面聚焦打孔方式相比本方案有更大的应用空间。     

CO2激光打孔的折衍混合f-θ 透镜设计

激光打孔广泛应用于印刷电路板处理等领域,在该技术中f-θ透镜起到扫描成像的重要作用。利用折衍混合系统设计了f-θ透镜，在满足性能要求的前提下，减少了透镜的个数，降低了系统成本。该系统采用像方远心光路，工作波长为9.25 μm，打孔直径50 μm，深度182 μm，扫描面积达70 mm×70 mm。     

光纤激光直接快速成型3l6L不锈钢精密零件研究

为了研究光纤激光在选区激光熔化直接成型316L不锈钢精密零件中的应用,采用扩束镜及f-θ透镜,将光纤激光在成型系统工作面上聚集成30μm~50μm左右的细微聚焦光束;通过分析离焦量、扫描速度、激光功率、扫描路径对比成型实验,获得了激光光斑直径、扫描速度、激光功率等工艺参量及扫描路径对成型精度的影响关系。结果表明,通过优化工艺参量及扫描路径,可成功成型壁厚达0.1mm的316L不锈钢精密零件。     

YAG激光打标机变焦f-theta镜扫描系统

为Nd∶YAG激光打标机设计了变焦距f-theta镜扫描系统,以使它适用于不同的打标面积而不必更换镜头,系统由四片透镜组成,材料分别为BK7、SF18和SF11,系统总长度为122.96mm,工作波长1064nm。利用f-heta镜的负畸变效应和机械变焦原理,将四片镜设计组合成两个可变档系统,系统的有效焦距分别为f-theta镜的两个常用焦距：350mm和400mm,相应的扫描范围分别为220mm×220mm,250mm×250mm,扫描角都为±18°。系统像面在0视场、0.7视场和全视场的光斑都落在相应的爱里斑以内,系统的MTF曲线接近相应的衍射极限曲线,最大波像差小于四分之一波长,系统的最大场曲和最大f-theta相对畸变都很好地满足了国内激光打标机的精度要求。     

远程激光拉曼光谱探测系统前置光学系统设计

为实现远程物质高空间分辨力的拉曼光谱探测,设计了共孔径远程激光拉曼光谱探测系统的前置光学系统。光学系统采用共孔径结构,实现了激光发射系统、拉曼光收集系统及微区成像系统的共孔径、共光轴。设计的光学系统能够对激光进行聚焦以缩小激光光斑尺寸,使系统具有优于0.125 mrad的空间分辨率。该拉曼光收集透镜有效通光口径为50 mm,拉曼散射光在耦合透镜焦平面上的像高小于25m,可以与50m狭缝宽度的光谱仪进行空间光耦合,也可使用50m芯径的光纤来耦合光学系统与光谱仪。该系统可用于远距离物质的激光聚焦、拉曼光谱探测及微区成像。     

脐带血与先天性心脏病患儿红细胞的光谱分析

为了探讨脐带血红细胞和先天性心脏病患儿红细胞的内容物的改变情况及其变化机理,为先天性心脏病的产前诊断提供有用信息,采用激光光镊喇曼光谱系统,测定了脐带血红细胞与先天性心脏病患儿红细胞的喇曼光谱,通过对两者喇曼光谱进行比较分析,发现脐带血红细胞与先天性心脏病患儿红细胞的光镊喇曼光谱有较大的差异。与脐带血红细胞相比,先天性心脏病患儿红细胞的整体谱线偏弱,部分的特征谱线发生位移。该研究结果将为提高胎儿先天性心脏病的检出率提供一种新的、快速简便的光谱分析手段,为临床诊断提供有力的实验依据。     

可变光阑对焦深影响的探究

传统的标量光场其偏振态空间均匀分布,而矢量光场相较于标量光场其偏振态是空间变化的。这个空域变化的偏振特性使得矢量光场具有更大的调控自由度,在焦场设计、光学微操纵、微加工、以及量子信息领域有着潜在的应用。本文基于Richards-Wolf矢量衍射理论,研究了可变光阑以及透镜数值孔径对双环角向偏振光束聚焦特性的影响。结果表明,通过改变光阑大小以及透镜数值孔径,不仅可以改变焦斑光强、焦斑大小,也可以显著改变焦场暗通道的长度,从而生成较长的暗通道。生成的可变焦场暗通道未来可用于光学微操纵以及微加工的应用中。     

利用单透镜结构实现自由空间激光进入单模光纤的耦合研究

自由空间激光与光纤的高效耦合可大幅降低激光 能量损耗。基于高斯光束通过透镜的传输规律,分 析经过单透镜变换后的激光光束特性,即像方激光光束特性。对自由空间激光与单模光纤的 优化耦合进行研究。通过分析匹配单透镜参数对像方光束的影响, 选择单透镜合适焦距参数,实现激光与光纤参数的高效匹配,满足激光光束的像方腰斑小于 10 μm且数值孔 径小于0.12。通过实例,分析采用焦距为5mm的单透镜对780 nm空间激光到单模光纤的耦合效 率,结果表明自由空间激光到单模光纤的耦合效率高达90%。该耦合 系统结构简单,可实现激光由自由空间到至光纤的高效率传输。     

一种新型激光三维扫描测量仪的研制

研制了一种基于测量机器人的激光三维扫描仪,介绍了系统的测量原理,根据双三角法原理推导出物体空间三维点坐标,提出了具有一定泛化能力的神经网络系统整体标定方法,并对一茶杯盖进行了实际测量实验,测量误差小于0.1mm,实验结果验证了测量原理的有效性和系统的可靠性。     

折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统设计

为了使激光扫描检测设备达到较高的检测精度并且具有较强的通用性,一般要求它的光学系统具有大视场、宽工作光谱、高成像质量的特点。以传统7片可见光波段镜头为基础,用折-衍混合单透镜代替系统中的双胶合透镜,设计了折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统,主要参数为:视场60°,工作波段0.8～1.06μm,焦距30mm,后工作距离30mm。设计结果表明,在42lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值接近0.7,全视场畸变小于1.9%,重量减轻了35.3%,表明该系统像质良好且兼具小型化的特点,满足扫描检测设备的技术要求。