激光聚变冲击波速度测量光学系统设计

针对激光聚变冲击波速度测量的需求,设计了一种集被动式扫描高温计和主动式冲击波速度测量于一体的复合冲击波速度测量系统。通过采用多种耐辐射光学玻璃材料,实现了共用光路的400~700 nm耐辐射消色差设计;通过采用自动控制干涉仪简化了系统操作;主动测速系统通过切换不同焦距的中继成像镜头,实现了不同放大倍率的切换。系统的物方视场为φ2.0 mm,主动式测速系统的放大倍率为10×,20×,30×,静态实验干涉条纹平直,调制度达到0.69以上,物方分辨率达到4.72μm。该系统在激光聚变装置上能够实现冲击波速度的动态测量。     

神光-Ⅲ原型装置用速度干涉仪的光学系统设计

基于激光多普勒频移效应研制了一套应用于惯性约束聚变(ICF)研究的任意反射表面干涉测速系统(VISAR)。采用532nm的照明激光设计了一套光谱带宽为0.2nm的光学系统,通过合理选材,保证了光学系统的防辐射性能;基于光学膜系设计,滤除了526nm的强干扰打靶激光以及其它波段的杂散光;采用模块化方法并设计光学铰链进行模块对接,简化了系统调试的复杂程度;利用激光对干涉仪粗调,再利用白光精调,实现了零程差调试。设计的系统光路总长为6.3m,物方视场范围为φ1.0mm,放大倍率为5×、10×;静态实验显示,干涉条纹平直、调制度达到0.67以上,物方分辨率达到5.3μm。目前,该系统已成功地在神光-Ⅲ原型装置上进行了动态实验。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

全孔径背向散射诊断光学系统

基于新的激光聚变驱动装置的需要,设计了全孔径背向散射诊断光学系统并介绍了光学设计中涉及的若干关键技术。采用低反射率的楔形反射镜衰减背向散射光能量,降低后继元件对光学薄膜损伤阈值的要求。通过缩束镜缩小光束口径,减小光学元件尺寸;同时采取折叠光路结构来缩小系统体积。对空间滤波器和光学滤片进行组合,屏蔽了打靶倍频光干扰及不同散射类型的相互串扰。采用光学白板对色散严重的背向散射光进行漫反射匀化,使光谱测量系统获得完整的光谱信息。最后,选取抛物面为空间分布成像目标面,通过分析空间分布成像光束的结构设计了成像镜头。设计的诊断光学系统具有散射时间测量、光谱测量、空间分布成像、能量测量等功能,光学测量模块尺寸为1.9m×0.9m×1.5m。该全孔径背向散射诊断光学系统在新的激光聚变驱动装置中具有潜在的应用价值。     

太阳能晶硅电池激光刻槽设备光机系统设计

以激光在太阳能领域的应用为例,介绍了激光刻槽设备光机系统的组成及工作原理。该系统使用532 nm短脉冲激光器,采用双激光器四分光路、两级激光扩束设计,重点解决了两级扩束自动调焦的问题。在多晶硅片上进行了刻槽试验,槽宽20μm～40μm,刻线深度可调节,线宽及线深均符合要求。     

同轴大压缩比大相对孔径相机的光学系统设计

以近轴三反射镜消像差理论作为设计依据,采用小视场角偏置设置,使用一维倾斜平面镜将光路在主镜前折叠,优化设计了具有高压缩比的同轴大相对孔径成像光学系统。其中,相机焦距为2.5 m,像方F数为6.3,成像视场角为0.6°×0.3°,在91 lp/mm的空间频率下,400～900 nm可见光-近红外波段光学调制传递函数优于0.41,1 064 nm激光波段20 lp/mm时光学调制传递函数优于0.6,成像质量均接近衍射极限,全视场下成像一致性较好。光学系统长度具备小于1/5.6倍系统焦距、1.1倍主镜直径的高压缩比,三反射镜均为二次曲面且非离轴空间布局,不含有高次非球面系数,公差分析结果表明光学系统易于工程化实现,在多星组网的紧凑型商用成像测高光学相机领域具有广泛的应用前景。     

基于激光跟踪测量系统的瞄准方法

针对激光惯性约束聚变(LICF)实验中诊断实验装置快速精确定位的迫切需求,提出了在LICF的实验场景下使用激光跟踪测量系统的快速定位瞄准方法。采用四路激光跟踪测量系统作为瞄准定位设备,构建了测量系统的数学模型,基于最小二乘法开展了系统瞄准定位精度的理论计算。当采用的激光跟踪仪测量误差为5μm时,理论计算得到的夹角偏差为0.749 2″,距离偏差为11.208 3μm;当采用的激光跟踪仪测量误差为10μm时,夹角偏差为1.12″,距离偏差为18.216 7μm。理论计算结果表明,基于激光跟踪测量系统的瞄准方法,符合LICF中实验装置快速精准的定位需求,为将来在我国激光惯性约束聚变装置上使用激光跟踪测量系统作为瞄准定位设备提供了参考。     

激光共聚焦扫描显微镜的光学设计

为获得较高分辨率的细胞图像,设计了激光共聚焦光学系统。通过较复杂结构物镜实现了照明光路系统和发射光路系统的设计。用Zemax对照明光路和发射光路进行了设计,仿真过程中照明光路的聚焦弥散斑直径小于1μm,照明针孔处的聚焦弥散斑直径小于20μm,发射光路的聚焦弥散斑直径小于20μm,同时照明光路和发射光路的MTF曲线接近衍射极限,达到较理想的情况。     

宽光谱多传感器轴一致性检测系统设计

光轴一致性是衡量多传感器光电系统工作性能的重要指标,为了解决多传感器轴一致性检测系统工作波段范围较窄、系统灵活性较低的问题,本文结合光路切换和光热转换的思想,设计了一套宽光谱多传感器轴一致性检测系统。该系统采用卡塞格林反射式光学系统作为从可见光到长波红外范围内的接收和发射系统;通过步进电机的驱动,带动导轨上方反光镜位置移动,实现系统光路的切换;采用镀有硫化铜的锗玻璃,作为光热转换靶材,将短波长的光斑转换为热斑,采用长波红外探测器实现对各波段激光光斑图像采集。系统能够实现0.4～14μm波段光谱范围的检测;对光学系统进行像质评价分析,可以得到系统在不同波段下由像差引起的弥散斑（Root mean square, RMS）直径均在9μm以下,能量集中度较好;对系统检测精度进行分析,最大测量误差为0.1 mrad;通过导轨往返运动重复精度实验和系统测量准确度实验,对系统可靠性进行验证,结果表明检测系统满足仪表准确度1.5级的要求。该检测系统结构紧凑,适用波谱范围广,能够实现对多传感器光电设备的轴一致性检测。     

红外热像光学镜组轴偏测量仪

原则设计了用于8-14μm红外光学镜组的轴偏检测系统,系统包括CO2激光器、可调焦望远镜、TGS热释电热像仪与计算机配合的数据读出及处理、径向跳动≤1μm,轴向晃动≤1″的高精密基准轴工作台.测量精度角度≤2″,线度≤0.02mm.编制了轴偏数据处理程序.更换光源(用波长3.39μm的He-Ne激光代替CO2激光)系统可用于3-5μm红外光学系统的测量.     

高精度石英全息透镜的MEMS工艺制作

通过微电子机械技术(MEMS)在抛光的熔融石英基材表面制作了平面精度达到0.4μm的超大单片面积的全息透镜。采用了分辨率达到0.2μm的步进投影式拼接光刻,适合石英基材的专用等离子耦合刻蚀(ICP)干法刻蚀技术,特殊的物理清洗方法,以及相关的多项辅助工艺。透镜理想面形横截面曲线为分段抛物线,每一片由23个柱状结构单元周期横向排列构成,采用等深度不等宽度的4台阶结构拟合,单元宽度约为2.966mm。在4in(10.16cm)圆片上,获得了单片尺寸为68mm×68mm的方形透镜。采用接触式台阶仪,扫描电子显微镜(SEM),高倍光学显微镜等方法进行不同阶段检测。结果显示:台阶平面精度为0.4μm,垂直精度为30nm,有非常好的立墙陡直度和刻蚀均匀性。此工艺方案可实现小规模批量生产,成本适中,可以直接用于制作6in(15.24cm)以上同等级要求的石英透镜,经适当改进也可用于蓝宝石等基底材料的制作。     

辊筒模具超精密机床系统设计与工艺

为了提高国内大尺寸光学微结构薄膜的光学级模具制造水平,打破国外在辊筒模具超精密加工装备的垄断,完成了国内首台套大尺寸光学微结构辊筒模具超精密机床的设计、集成以及典型微结构工艺的研究工作。首先,根据辊筒模具表面微结构加工工艺的特点,分析了辊筒模具超精密机床的关键技术并完成了机床结构与运动控制系统设计。在机床系统集成后,完成了运动控制系统的调试。直线轴执行阶梯运动完成了直线轴运动分辨率的测试。其次,通过准直仪和激光干涉仪完成了机床关键轴系的直线度及定位精度的测试和补偿。最后,采用多步切削法切削实验,以降低毛刺高度为目标,完成了V槽阵列的加工工艺参数优化。经测试,该超精密加工机床的直线运动分辨可达到5nm,直线轴的双向定位精度均优于1μm/1 100mm;采用多步切削法加工V槽阵列,最后一次切削深度建议在1~2μm,可以获得合格的V槽阵列。     

适用于光黏工艺的干涉仪公差保证方法

空间干涉测量系统是空间引力波探测的重要组成部分。本文介绍了一种全玻璃材料的差频激光干涉仪的组成结构和工作原理,对差频干涉仪中双相干光束的匹配对准难题,介绍了一种适用于光黏装配工艺的角度公差和位置公差保证方法。这种方法采用了监测系统和微量调整机构相结合的方式,首先,监控系统可以实现光线相对位置的实时测量,给出被调整光线的调整方向和调整量;然后,微量调整机构可以在平面移动和轴向转动3个自由度上,对目标器件实现微米量级的微量调整;监控过程和调整过程反复迭代,可实现对光学元器件的高精度位置控制和角度控制。实验结果表明,在调整方向上角度公差优于80μrad,位置公差优于85μm。本方案基本满足差频激光干涉仪的装配精度需求,为后续更高精度的装配奠定基础。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

激光冲击软模大面积微弯曲成形方法

为了实现金属箔板大面积微弯曲成形,本文结合激光冲击微弯曲成形技术与软模成形技术的优点,提出了激光冲击软模大面积微弯曲成形方法。 该方法是在脉冲激光冲击波压力下,将软模作为柔性冲头作用于金属箔板来实现工件成形的。实验中使用了Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器,将250 μm厚的聚氨酯橡胶薄膜作为软模,采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为120 μm的U型多槽模具,实现了在厚度为30 μm的铜箔板上一次性对3个U型凹槽冲击成形。用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微系统进行工件观测,结果显示工件上的微成形槽具有良好的轮廓质量。以ANSYS/LS-DYNA为平台,使用有限元建模（FEM）方法对微弯曲过程进行了数值模拟。实验和模拟结果均表明,加载软模的工件与模具的U型凹槽特征在形状上更加接近,成形工件更加均匀,而且具有较好的表面质量,其最大平均成形深度可达110 μm,大于激光直接冲击成形的最大深度（88 μm）,说明使用软模提高了充型能力。     

2m大口径RB-SiC反射镜的磁控溅射改性

为了消除RB-SiC反射镜直接抛光后表面存在的微观缺陷,降低抛光后表面的粗糙度,提高表面质量,针对大口径SiC的特性,选择Si作为改性材料,利用磁控溅射技术对2m量级RB-SiC基底进行了表面改性。在自主研发的Φ3.2m的磁控溅射镀膜机上进行基底镀膜,利用计算机控制光学成型法对SiC基底进行了抛光改性。实验结果表明,改性层厚度达到15μm;在直径2.04m范围内,膜层厚度均匀性优于±2.5%;表面粗糙度由直接抛光的5.64nm(RMS)降低到0.78nm。由此说明磁控溅射技术能够用于大口径RB-SiC基底的表面改性,并且改性后大口径RB-SiC的性能可以满足高质量光学系统的要求。     

Optical technique to measure five-degree-of-freedom error motions for a high-speed microspindle

We present an optical technique to measure five-degree-of-freedom error motions of a high-speed microspindle. The measurement system consists of a rod lens, a ball lens, four divided laser beams, and multiple divided photodiodes. When the spindle rotates with its concomitant rotation errors, the rod and ball lenses, which are mounted to the chuck of the spindle, are displaced, and this displacement is measured using an optical technique. For this study, we decide the design parameters of the optical system using ray tracing, fabricate a prototype of the measurement system, and evaluate it experimentally. The results show that the measurement system has a resolution of 5 nm and can be used to evaluate high-speed microspindle rotation errors.     

用于蓝宝石光盘的数字化数据存储

为了解决长时数据存储的难题,开展了以数字格式在蓝宝石光盘表面写入数据的研究工作。根据艾林方程,分析了利用常用无机材料进行数据存储的数据失效时间。描述了在蓝宝石材料为基底的光盘上以数字格式记录数据的基本工艺流程,重点介绍了用于蓝宝石光盘的离子束刻蚀系统。实验结果显示,蓝宝石光盘表面刻蚀的信息坑宽度为0.6μm,深度为0.2μm,磁道节距为1.6μm,符合ISO/IEC 10149:1995规定的CD-ROM格式数据存储要求,表明采用本文提出的方法实现蓝宝石光盘的数字化数据存储是可行的。此外,这种基本工艺流程不仅适用于蓝宝石光盘,同样适用于其它以高度稳定的材料(如石英玻璃)作为基底的光盘。