激光钕玻璃连续熔炼技术

介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所开展的激光钕玻璃连续熔炼技术,描述了该项技术近年来的研究进展和研究成果。给出了N31激光钕玻璃的连续熔炼流程,介绍了开展的磷酸盐钕玻璃连续熔炼单元技术的模拟,连续熔炼实验线的设计、建设、改造和验证等大量工作。成功完成了除羟基、除铂颗粒、过渡金属杂质离子控制、大尺寸成型和低应力隧道窑退火等一系列关键单元技术,实现了N31钕玻璃的连续熔炼批量制造。实验显示:连续熔炼N31激光钕玻璃的荧光寿命、激光波长吸收损耗、光学均匀性等指标达到了神光装置的使用要求。比较结果显示:连续熔炼钕玻璃的参数一致性和400nm吸收系数指标均优于坩埚熔炼的激光玻璃;而它的3 333nm吸收系数和铂颗粒破坏阈值优于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室报道的连续熔炼LHG-8钕玻璃。     

流水线模数转换器中的宽带电流型运算放大器

针对高清视频信号处理对动态范围大,运算速度快的模数转换器(ADC)的要求,提出了一种流水线宽带电流型运算放大器。该运算放大器的主放大器采用套筒式增益提高结构,辅助运算放大器用电流型放大器替代。采用电流共模反馈电路调节主运算放大器的支路电流以稳定输出共模电平;采用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计电路。实验结果显示:辅助运算放大器采用源极输入,减小了信号主通路上的寄生电容,提高了整个运算放大器的电路速度。运算放大器的增益为83.19dB,相位裕度为61.6°,单位增益带宽为1.6GHz,功耗为9.3mW;在满幅度阶跃输入的情况下,输出建立时间小于1.83ns。将该运算放大器用于高清视频信号的流水线ADC中,实现了170MS/s,10bit精度的模数转换。同传统的电压型运算放大器相比,该运算放大器响应速度更快,功耗更低,可满足处理视频信号的要求。     

大口径高发射率水热管标准黑体辐射源

为满足国内黑体辐射源亮度温度的溯源需求,中国计量科学研究院研制了50~270℃大口径高发射率水热管标准黑体辐射源。本文介绍了水热管黑体辐射源的研制、性能测试和不确定度。利用Monte Carlo方法研究了圆柱形空腔内壁V槽角度对空腔法向有效发射率的影响。设计了圆柱形空腔,内壁加工31°角的1 mm深V形槽,喷涂高发射率Pyromark 1200黑漆,空腔开口74 mm,腔深520 mm,法向有效发射率优于0.999 8,实现了黑体源空腔在大口径条件下的高发射率。设计了基于PID控制的黑体辐射源温度控制系统和高精度的黑体辐射源空腔温度测量系统。水热管黑体辐射源的温度稳定性为0.04℃/20 min,空腔底部有效亮度温度均匀性为0.08℃,有效亮度温度扩展不确定度为0.036~0.104℃。建立了基于变温黑体辐射源的国家亮度温度标准。     

内置标准具光栅腔XeF(C-A)准分子激光器的线宽压缩

为了避免阳光背景干扰,针对XeF(C-A)蓝绿激光水下应用需求开展了激光线宽压缩实验以提高信噪比。采用内置标准具的光栅谐振腔开展相关实验。利用光栅腔实现亚纳米级的激光线宽输出,然后在此基础上,通过插入标准具进行更精细的激光线宽压缩实验。利用光栅腔,采用1 200线/mm光栅并提高光栅辐照面积可以实现0.14nm的激光线宽输出。腔内插入反射率为50%的标准具,可以进一步将激光线宽压缩至39pm,激光单脉冲能量约为65mJ,脉冲宽度为1μs。实验结果表明:尽管XeF(C-A)蓝绿激光器的增益系数较低,但是通过优化光栅和标准具的工作参数,对谐振腔光学损耗进行合理的控制,激光器可以实现10pm量级的激光线宽输出。     

大变倍比近红外无焦激光扩束系统

为研究闪电特性,设计了用于闪电实验室场景模拟的大变倍比近红外无焦激光扩束光学系统,用于模拟不同光斑尺寸的闪电单元.根据高斯光学几何法计算系统外形尺寸,合理确定了各组份的口径及光焦度;由ZEMAX软件包优化设计得到系统的光学结构参数,并对系统整体性能进行了分析评价.该系统变倍比为13,出射光束光斑均匀、无衍射环,满足研究闪电信号特性的需求.激光扩束系统的中心工作波长为777.4 nm,入射光束直径为1.0 mm,入射激光光束在步进电机驱动下连续可调,使得出射光束可从φ0.8 mm变化到φ10.6 mm.系统具有镜片少,结构简单,变焦轨迹平滑无卡滞等优点,可用于模拟不同尺寸的闪电单元.     

单光源高精度正交十字形激光标定装置设计

为了满足特殊的标定需求,保证四路正交激光标定线光学一致性,分析了利用单一光源形成四路十字形激光的成形原理,提出了利用柱面镜形成线光源结合分光棱镜多次分光和组合的方法,实现了单光源输出四向正交的激光十字形标定线,设计了实现激光平行光输入的准直物镜,分析了输出的十字形激光特征,采用模块化的设计思想完成了光学元件支撑结构设计和装调,并进行了主要指标的测试.测试表明,四路十字形激光的相互正交精度优于40″,单路激光十字线长度在(50.1 ±0.1)mn范围内,激光十字线的照度均匀,峰值半宽在0.1 ～0.2 mm之间,可以满足高精度的测量及标定要求.     

应用于反射式编码器的光电集成芯片设计

为满足反射式光电编码器的应用需求，设计一款集成光电二极管阵列、跨阻放大器、全差分放大器以及偏置电路的光电芯片。首先，根据反射式编码器的成像原理设计光电二极管阵列。然后，设计可调增益跨阻放大器、全差分驱动放大器级联作为增量信号处理链路，降低读出信号的噪声同时提高带负载能力。接着，集成具有宽电源电压输入范围以及较好的电源纹波抑制能力的偏置电路。基于0.35μm光电CMOS工艺进行流片，通过搭建测试环境，光电集成芯片可以在3.5～6 V宽电源电压范围内正常工作，且在电机转速6 000 r/min内输出的增量信号正交性良好。角度测量结果表明，正反转情况下角度测量误差最大值分别为4.752″和5.04″。在5 V供电电压下电路的直流功耗为66.5 mW，整体芯片面积为5.91 mm×2.81 mm。能够满足光电芯片高度集成化、较好的信号正交性、宽电源电压输入范围、高电源纹波抑制能力等要求，适用于反射式光电编码器。     

锁相放大器在激光外差信号检测中的应用

目前,激光外差技术在激光测振、测速和测距等精密测量中已有广泛的应用,但在这些应用中待检测的光信号都非常微弱且含有大量噪声。为了提取该信号采用锁相放大器作为系统检测电路,在分析锁相放大器原理的基础上,设计了锁相放大器各模块电路并仿真。经实验测试,在给锁相放大器加幅度为0．01～0．5mV的信号时,在电路输出端可以得到信号。     

基于数字电位器的增益自适应数据采集系统

针对某型检测系统数据采集需求,运用数字电位器可编程控制阻值功能,设计了增益可自适应调整的数据采集系统,解决了ADC输入信号幅度动态范围不稳定的问题.描述了数据采集系统的设计过程,给出了硬件设计电路和软件结构框图,详细分析了仪表放大器、增益调节放大器的工作原理和实现方法,对于类似系统和电路的设计有一定的参考价值.     

气体受激拉曼散射系统的分析与优化

为了优化气体受激拉曼散射系统,采用理论与实验相结合的方法,对气体受激拉曼散射现象进行了研究。根据受激拉曼基本理论计算了CH_4和D_2在不同气压下的拉曼增益系数,然后采用输出能量为70mJ的Nd∶YAG三倍频355nm激光进行了受激拉曼散射实验,测量了在拉曼池气体气压为1×105～2×10~6 Pa,焦距分别为500,750mm下的斯托克斯光的输出能量。发现CH_4拉曼增益系数随气体压力升高而增大;D_2拉曼增益系数在1×10~6 Pa左右达到最大值,之后不随气压升高而改变。实验结果表明,在气体受激拉曼装置中,合理选择拉曼池气体气压和耦合聚焦透镜的焦距,即甲烷气体系统选择长焦距高气压,氘气系统选择长焦距低气压。理论计算与实验结果基本一致,此研究对NO_2差分吸收激光雷达光源系统的优化有着很重要的作用。     

凝视型激光主动成像系统性能验证

为了研究凝视型激光主动成像系统对非合作目标的成像性能及在目标跟踪中的应用,设计了基于APD阵列和分束照明的凝视型激光主动成像系统。对激光回波功率与目标距离之间的关系进行了理论分析,结果显示:200m外目标的回波功率小于1μW。为提高系统作用距离,选取高增益带宽积跨阻放大器OPA657N提高系统增益,并通过优化元件布局来克服高跨阻值时的通道串扰。实验验证了距离方程的正确性。在此基础上,采用八连通团块检测方法实现目标探测,并对两轴目标跟踪进行了实验验证。结果显示:系统能够对200m处非合作目标稳定成像,并能获取420m处非合作目标的回波信号;当目标在俯仰轴、偏航轴方向行程大于2.5°时,系统能够实时探测并稳定跟踪。     

脉冲激光波长测试系统光学天线研究

针对光纤光谱仪常规光纤探头接收面积小,难以探测远距离脉冲激光波长的情况,本文提出用带有光学天线的光纤光谱仪对脉冲激光幅度和波长进行测试的整体技术方案.通过对望远系统、光纤光锥、反射光锥等光学天线的接收角及光学增益进行的大量实验.结果表明采用不同的光学天线,可增大接收角或光学增益,实际应用中可以根据具体需要选择不同的光学天线.     

V型内锥流量传感器使用灵活性研究

利用数值仿真和实验相结合的研究方法,主要研究V型内锥流量传感器的使用灵活性和安装条件,针对50 mm口径的管道,通过长200 mm的渐扩和渐缩管与100 mm口径等效直径比分别为0.45/0.65/0.85 3种结构类型的样机进行连接,对50mm口径的管道进行常温水流量测量.设计并进行了基线和扩管2类实验,仿真预测结果和实验结论吻合,研究结果表明,在一定的前直管段安装条件下,其流出系数相对误差和附加不确定度满足性能指标要求.研究结果可为V型内锥流量传感器实际安装和使用提供一定的参考.     

高能激光反射镜热变形补偿

研制了一套由压电陶瓷驱动器、压力传感器、环状力施加机构和控制电路组成的反射镜动态热变形补偿系统用于补偿激光反射镜热变形球差。圆形反射镜在两个同轴不同半径的环形力作用下,其内环区域产生曲率可变的抛物面形变,由此补偿反射镜热变形带来的球差项。对镜体进行了有限元数值计算,建立了变形量与沉积热量与受力的关系。采用口径为100mm,厚度为8mm平面反射镜进行了受力-变形以及辐照-受力-变形实验,利用干涉仪对面型进行监测。研究表明,在不同推力作用下,有效区域内变形始终保持抛物面形。给出了推力-面型变化曲线,在225N推力下,中心最大变形超过3μm。在不同热沉积量下,镜体中心位移和受力保持线性关系,力-变形系数为0.013μm/N。     

基于X9241的程控增益测试系统的设计

文中叙述了基于数字电位器X9241的程控增益测试系统的设计。将数字电位器X9241作为分压器,为放大器提供一定的正反馈,利用I2C总线的硬件,实现了X9241和C8051F单片机之间的通信,通过软件编程控制改变X9241的阻值,从而使增益也得到相应的改变,得到高量程、高精度的放大器。信号经过放大滤波和单片机内部的A/D转换后,最后通过UART-USB桥接芯片将数据发送到PC机上,定性地测试分析其可靠性。     

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。     

基于VCA810的电压控制动态带通滤波器设计(英文)

为了有效地对信号进行选频滤波,基于电压控制增益宽带放大器VCA810,本文设计实现了具有增益补偿的压控动态带通滤波器。文中分析了滤波器的系统传输函数,通过实验测试给出了一定频率范围内的增益补偿电压,并设计了增益补偿电路和控制电压产生电路。在滤波器带宽一定的情况下,通过改变控制电压使带通滤波器的中心频率在1-20kHz范围内调整。系统结构简单,噪声小,性能稳定,调节方便。     

声纳系统中声波扩散损失的补偿

声波在浅海中传播时,声压振幅随传播距离呈一定规律衰减。对衰减后的声信号进行处理时,往往需要利用时变增益放大器对扩散损失进行补偿。本文基于数字电位器和基本运放电路对球面扩散声波进行了增益补偿,对柱面扩散声波以及介于柱面扩散和球面扩散两者之间的补偿模型进行了理论上的探索,最后提出一种对未知传播衰减规律的声波扩散损失的补偿办法,旨在压缩信号的动态范围以满足 A/D 转换的要求。     

N2分子二聚物在352.3 nm处增益特性研究

利用微波放电激励高纯氮,并采用放大自发辐射法,研究了不同微波激励功率和不同N₂气压条件下N₂分子二聚物352.3nm辐射的增益特性。给出了沿放电管轴线N₂分子二聚物352.3nm辐射的小信号增益系数随微波激励功率和充入放电管N₂气压变化的规律。研究结果表明当微波功率大于100W时,充入N₂气压在330~1 800Pa范围内,N₂分子二聚物在352.3nm处存在受激辐射特性。当微波功率为500W,充入放电管的N₂气压为1 100Pa时,N₂分子二聚物352.3nm辐射的小信号增益系数最大为1.08%cm^-1。另外,还给出了N₂分子二聚物352.3nm辐射增益沿放电管径向分布情况。 N₂分子二聚物352.3nm辐射的增益系数在放电管中心最小,接近管壁时最大。     

抛物面反射器表面误差分析及控制

抛物面反射器的表面精度是衡量天线制造水平的重要指标,也是影响天线增益的主要因素。在相同口径及相同表面精度条件下,工作频率愈高,表面误差对天线的增益影响愈明显。随着更高频率的开发及启用,对反射器表面制造精度的要求也不断提高。在实际设计中,我们可以由给定的增益折减系数来分配反射器表面误差值并提供制造、检验依据,采用