折反射式连续大变倍比扩束系统设计

平时应用或实验时,往往需要不同口径的准直激光光束,为了解决设备繁琐问题,设计了一个连续变倍的激光扩束系统,可以得到不同口径的激光光束。此系统扩束比在68~202之间变化,得到的光斑比传统的更大,可以满足大口径激光光束的应用要求。该扩束系统有两部分组成,第一部分是无焦的扩束系统,可以实现光束口径的变化,此系统由4片单透镜组成,采用＂正一负一正＂的结构形式,可减小系统的整体尺寸。第二部分采用抛物面的折反射系统,完成对光束的大倍率扩束,并分析了采用抛物面的优点。应用光学设计软件ZEMAX给出了系统的优化设计,并进行了准直精度的分析。     

一种高稳定性次镜支撑结构的优化设计

空间光学设备通常具有大口径、长焦距等特点,支撑结构的稳定性对成像质量至关重要。以激光通信终端天线系统为对象,设计了次镜支撑结构,并通过有限元分析检验了设计的合理性和结构的稳定性。根据光学设计结果,针对次镜的设计要求,对不同设计方案进行了分析对比,选择了合理的支撑方案;对比并选择了合适的支撑结构材料,并以分析比较为基础设计了具体结构形式;设计了整体支撑结构并进行了整体模态分析和光学面型误差分析。分析结果表明,次镜支撑结构的基频300Hz,温升与重力作用下面形误差RMSλ/200,主次镜之间的角度变化量10",满足设计指标要求。     

半导体激光阵列快轴准直特性

为解决大功率半导体激光阵列快轴准直镜装调缺乏定量研究的问题, 利用光线传输矩阵法和CCD成像法, 获得其准直后光束的指向和发散角.对比半导体远场特性分析仪测量准直后的残余发散角可知, 利用光线传输矩阵法和CCD成像法测量角度, 测量误差可以控制在13%以内, CCD成像法可作为调整半导体激光阵列准直的有效监测手段.同时, 测试6个自由度上准直镜的位置对快轴准直的影响, 分析各轴上准直镜位置的允许偏差量, 为全自动装调快轴准直镜的算法优化提供了实验基础.结果表明:快轴准直镜装调对各轴运动精度要求不同, 尤其对y轴运动精度要求最高.     

相位激光测距发射系统实验研究

提出一种激光发射系统的设计方案,相位激光测距发射装置主要包括半导体激光器、调制频率发生芯片和发射光学系统三部分。根据相位激光测距原理给出发射系统实验研究方案,设计调制电路图,根据电路图连接元器件发出调制激光,对调制光进行准直发射,用PIN管探测器件对调制光进行接收放大分析。实验结果表明,该系统对激光进行了较好的调制准直发射。     

星载激光雷达望远镜主镜超轻量化结构设计

针对某星载高重频激光雷达整机系统小视场、轻量化、杂散光抑制及探测性能的需求,设计Φ400 mm望远镜主镜,选用SiC材料和背部三点支撑方式,以筋板式轻量化结构主镜为初始模型,采用拓扑优化和结构参数集成优化相结合的方法对主镜进行超轻量化结构设计,获得的主镜质量仅为4.4 kg,轻量化率达到80%。通过有限元仿真分析了主镜的静、动力学性能。结果表明:在径向重力作用下,优化后的主镜面形RMS为0.51 nm;在光轴重力作用下,RMS为4.9 nm; RMS优于λ/50(λ@632.8 nm);一阶自然模态频率为1 704.8 Hz,远大于1 000 Hz的设计要求。主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,为同类型星载激光雷达望远镜主镜的超轻量化结构设计提供了思路和参考。     

正六边形反射镜支撑结构设计

研究了正六边形主镜的支撑结构组件,对主镜组件进行了材料选择、结构形式与尺寸参数设计、仿真分析和试验验证。首先,针对使用要求,对主镜进行了材料选择,确定主镜材料为微晶玻璃,并进行了轻量化设计,对边320 mm的正六边形主镜最终重量约为7 kg,轻量化率为57%;其次,确定主镜支撑采取背部三点的支撑方式,支撑点分布圆为?184 mm,对支撑组件中的镶嵌件、柔节和支撑背板进行了材料选择,并给出了组件的装配工艺,采取正交试验和有限元仿真相结合的研究方法对支撑组件中的柔节进行了优化设计,给出了柔节优化后的尺寸参数,分析结果表明:在1 g、-2℃工况及1 g、2℃工况下因结构支撑引入的面形误差分别为3.9 nm RMS和5.2 nm RMS,能够满足光学指标要求;最后,对组件进行了实物试验,试验结果表明:在室温18℃下检测其面形精度RMS为0.018 9λ(λ=632.8 nm),在室温20℃下检测其面形精度RMS为0.019 6λ,获得了比较好的面形精度,验证了结构设计的合理性,具备良好的性能,满足系统使用要求。     

高斯光束的激光变焦扩束光学系统设计

远距离激光主动探测体制对扩束发射光学系统的扩束能力及其对距离的适应性能提出了较高的要求。针对某系统所用的1.06μmYAG调Q脉冲激光器,分析设计了一个可变扩束比为1.5-10的变焦扩束光学系统。按照高斯光束特殊传输及变换规律对变焦扩束系统进行分析,得出了可用的初始结构参数,并以此优化设计出的扩束光学系统满足了系统扩束比及其变焦范围的要求。     

基于组装式望远镜的子镜模块结构设计

在轨组装空间望远镜是将望远镜进行模块化,模块通过一次或多次发射送入预定轨道,并在轨道上完成整机组装、调试。组装式空间望远镜的主镜由多个子镜模块阵列拼接而成,基于1 m口径空间组装望远镜地面原理演示样机,对望远镜子镜模块进行设计,设计内容包括子镜的镜体支撑、促动器的装配方法等,采用有限元数值模拟分析手段对设计结果进行了仿真验证,然后对子镜模块实物进行了相关测试。结果表明,子镜反射镜的面形精度RMS优于0.02λ,两组子镜的共焦共位相拼接精度为0.023 5λ,支撑结构设计合理、效果良好,满足使用需求。     

高效半导体激光器准直光学系统的研究

本文提出了用光学系统来校正半导体激光器出射光束的发散性及不对称性的新方法。并采用不同的结构形式,设计了不同类型的准直光学系统,获得了光束尺寸小于0.5mm的高效准直细光束,整个系统的波象差小于0.03λ。     

一种新型的高性能近红外平行光管的研究

采用长焦距单透镜方案,研制了一种新型的高性能近红外平行光管。以单模光纤导出的近红外激光(λ=1053nm)为光源,设计了满足光强均匀性要求的准直物镜焦距,使用新型的近红外消光涂料消除了杂散光的影响,并运用双平板剪切干涉技术完成了平行光管的不可见光束调校。采用自制的1053nm近红外干涉系统测试了平行光管的光学质量,结果表明,准直后的出射光束波面峰谷值(PV)达到0.045λ,光强的均匀性达79.2%。     

多波段激光合束镜温度适应性分析

环境温度是激光合束镜设计过程中需要考虑的重要因素。研究了实际应用中环境温度对合束激光光束质量产生的影响。对高功率红外激光常用的材料Zn Se建立光-机-热集成仿真,利用瞬态导热方程和应力应变平衡方程对温度场,应力场进行仿真计算。将离散的有限元数据提取后通过Zernike多项式拟合镜面畸变。并将透镜折射率的变化转变为光程差的变化,求得出射激光远场光强分布、β因子、环围能量比BQ作为激光光束质量的评价标准。在环境温度(-40℃~+50℃)条件下,长波段激光光束质量保持较好,其β因子最大值为1.761;短波段激光光束质量接近衍射极限,其β因子最大值为1.072。结果显示在环境热冲击下通过合束镜的长波激光以及短波激光保持了良好的光束质量,满足合束镜环境温度使用要求。     

经卡式光学天线发射的高斯光束衍射特性的研究

激光通信发射系统一般都是采用卡塞格林式望远镜作为发射天线,由于激光通信采用的光源波形为高斯光束,卡式光学系统的主次镜光学结构为环形结构,以往对均匀波经圆孔光阑后的衍射特性并不适用于激光通信。对基尔霍夫衍射公式进行了简化,利用数值计算的方法,利用仿真软件得到了高斯光束通过卡式光学天线之后的远场衍射分布特性,并与近场菲涅尔衍射分布特性进行分析比对,给出了卡式光学结构的最佳遮拦比为0.2,理论上可以达到1.5倍的近衍射极限发射束散角,在工程计算中有一定的应用价值。     

氦氖激光传播路径上发散角的控制

利用激光高斯光束传播特性，提出一种激光准直参数的确定方法，并在实际运用中得以证明。     

4m SiC主镜的轻量化及支撑技术

为设计出结构合理的4mSiC轻量化主镜,本文借助于有限元法完成了扇形轻量化主镜的参数设计,确定了90个支撑点的排布方式,并提出了将36组轴向和侧向力促动器共同设置在主镜背面的力分散器上的支撑方案。通过建立轻量化主镜的有限元模型,计算出不同的俯仰角下主镜的重力变形和不同温度载荷下主镜的热变形情况。重力变形分析结果表明主镜光轴水平时,镜面最大变形误差RMS仅为14．7nm,满足设计指标要求;热变形分析预算出1℃的轴向温差引起的镜面面形误差RMS值为278．0nm。若要保证4mSiC轻量化主镜的镜面面形,则必须设计出合理的热控装置,保证主镜的轴向温差不大于0．1℃。     

Optimum design of lightweight silicon carbide mirror assembly

According to the design requirement and on the basis of the principle that the thermal expansion coefficient of the support structure should match with that of the mirror, a lightweight silicon carbide primary mirror assembly was designed. Finite element analysis combined with the parameter-optimized method was used during the design. Lightweight cell and rigid rib structure were used for the mirror assembly. The static, dynamic and thermal properties of the primary mirror assembly were analyzed. It is shown that after optimization, the lightweight ratio of the silicon carbide mirror is 52.5%, and the rigidity of the silicon carbide structure is high enough to support the required mirror. When temperature changes, the deformation of the mirror surface is in proportion to the temperature difference.     

指向反射镜轻量化及支撑结构设计与分析

为增长相机的曝光时间,改善成像质量,光学系统入瞳前方需要设置扫描机构进行俯仰方向的运动补偿。指向镜体轻量化及其支撑结构设计是扫描机构设计的关键环节。本文针对有效通光口径为320mm×260mm的一维指向反射镜进行了轻量化与支撑结构设计。设计从材料选择、轻量化设计和支撑方式等方面展开,指向镜轻量化后重量为6.245kg,轻量化率为58.4%;运用有限元方法对指向反射镜组件进行了分析,系统基频为196Hz,系统在1g重力载荷与±5℃均匀温变作用下的面形精度rms均优于λ/50、PV值均优于λ/10;最后采用模拟件进行了试验验证。最终得到满足设计要求的合理结构。     

无合作目标激光测距仪光学系统设计

利用相位式测距原理的激光测距仪,在无合作目标近程测距（0.2-100m）时,采用可见激光瞄准,这对激光光斑有非常高的要求,光斑在被测目标上的大小即激光准直程度,直接影响测距精度和测程,因此,光学系统的设计就非常重要,解决这样的问题对提高无合作目标的测程与精度是非常有益的。     

改进型卡塞格林光学系统的设计

普通的卡塞格林光学系统,其主次镜分别由抛物面和双曲面组合而成,非球面镜的加工难度大、成本高,针对这些特点对卡塞格林光学系统进行了改进。改进型的卡塞格林光学系统与传统的卡塞格林光学系统对比具有加工难度小、成本低等特点,通过在系统最前面附加前校正组,使得主次镜可以由球面面型实现,通过在像面前设置后校正组使视场也得到了提高,与传统的卡塞格林光学系统20＇相比,它的视场可以拓宽到1.3°。系统设计结果通过传递函数与点列图的分析与衍射极限非常接近,为中等口径卡塞格林光学系统的设计提供了一个新的思考方法。     

30m望远镜三镜系统初步设计与分析

为保证30 m望远镜(thirty-meter telescope,TMT)聚集的光线顺利进入各个终端设备,设计了一套适用于30 m望远镜的精密跟踪指向三镜系统.该系统包含有基于Whiffle-tree原理的三镜支撑系统设计和采用地平式结构的跟踪指向系统设计2两个部分.通过参数化建模手段,在ANSYS中建立了系统的详细模型,联合Matlab完成了98个主要工况下的静力学分析后,对镜面面形结果以及结构变形情况进行了统计总结.最后将面形误差引入到ZEMAX中,分析了三镜面形变化对光学调制传递函数的影响.结果表明:98个工况下三镜位置与理想位置最大偏差为1.28 mm,系统的第一阶谐振频率为15.1 Hz,各工况下三镜面形精度均满足指标要求.三镜面形误差对系统MTF影响较大,但通过主镜主动光学校正后可以明显提高成像质量,满足使用要求.通过分析可知,该方案能够满足30 m望远镜项目的需求.探索与解决巨型望远镜的这些技术问题能够大大提高中国在超大口径光学望远镜上的设计和制造能力,并为建设中国下一代巨型望远镜积累丰富的经验.