冷却间隙对小口径双非球面硫系玻璃镜片模压成型质量的影响

为实现小口径双非球面硫系玻璃镜片的高精度批量制造,通过仿真与实验,对镜片模压成型冷却阶段的冷却间隙进行了研究,揭示了其对镜片成型质量的影响规律。首先,对硫系玻璃模压成型的高温粘弹性力学模型、结构松弛模型以及界面热传递模型进行了分析,并将其应用于仿真研究;其次,对目标镜片进行了模压成型仿真,探讨了冷却间隙条件对镜片内部温度、应力分布以及轮廓偏移量的影响;最后,进行了与仿真研究相对应的模压成型实验,分析了冷却间隙条件对成型镜片表面形状精度PV、表面粗糙度Ra及轮廓偏移量的影响,并将仿真与实验结果进行了对比研究,以验证仿真模型和结果的有效性。仿真分析结果表明:冷却间隙为0.1 mm时,镜片冷却后应力最小,为3.897 MPa;成型镜片非球面ASP1和ASP2的轮廓偏移量最大值分别为1.054 m和0.858 m。实验结果表明:冷却间隙为0.1 mm时,模压得到的成型镜片表面质量最好,ASP1和ASP2的PV值分别为170.8 nm和223.6 nm,Ra值分别为22.7 nm和24.9 nm,轮廓偏移量最大值分别为0.896 m和0.738 m。因此,可确定最小冷却间隙为0.1 mm。仿真与实验结果具有较好的一致性,冷却间隙对小口径双非球面硫系玻璃镜片的成型质量有一定的影响,确定最小冷却间隙可有效提高成型镜片的表面质量。     

小口径双非球面硫系玻璃镜片精密模压成型实验研究

为实现小口径双非球面硫系玻璃镜片的精密模压成型制造,通过正交模压成型实验,研究了相关工艺参数对成型镜片质量的影响规律。首先,介绍了模压成型过程和用于实验的PFLF7-60A型多工位模压成型机床,并根据非球面曲线公式设计了目标镜片。然后,选定了一种环保型硫系玻璃IRG205,通过VFT方程拟合了玻璃粘度与温度之间的关系,确定了模压温度,并对各工位实验参数进行了设置。最后,利用无镀膜模具及球形预形体进行了正交模压成型实验,分析了实验条件下模压温度、加压载荷及保持压力等成型工艺参数对镜片成型质量（形状精度PV、表面粗糙度Ra及轮廓偏移量）的影响规律,并获得了优化的成型工艺参数。结果显示:在优化的工艺参数下,成型镜片ASP1和ASP2的PV值分别为129.2 nm和174.8 nm,Ra值分别为19.6 nm和25.6 nm,轮廓偏移量分别为0.614 m和2.682 m,基本满足镜片高精度应用的要求,为小口径双非球面硫系玻璃镜片的高精度批量制造提供了参考和依据。     

基于FBG的复合材料环形构件残余应变研究

为了解决因碳纤维/环氧树脂复合材料构件中树脂基体与碳纤维间的热膨胀系数存在差异, 热压成型后, 内部未释放的残余应力会使材料构件发生残余应变, 造成构件变形、影响制品质量的问题, 采用光纤布喇格光栅(FBG)传感器在线监测实验研究和有限元仿真分析相结合的研究方法, 进行了理论分析和实验验证, 采集了碳纤维/环氧树脂复合材料环形构件热压罐成型后表面残余应变变化实时数据。结果表明, 该构件下法兰根部应变释放情况复杂, 靠近支承位置处的残余应变释放受阻, 而其余监测点位的残余应变普遍在30με~90με的范围内, 与仿真结果相符; FBG传感器能对构件成型后残余应变释放历程进行多点位实时在线监测, 并实现对构件整体应变分布的分析和预警。该研究具有一定科学研究和工程应用意义。     

基板预变形下激光立体成形直薄壁件应力和变形的有限元模拟

针对单道多层的直薄件激光立体成形过程,建立了基板预变形和无预变形条件下的3D参数化有限元模型,进行了应力和变形的瞬时热弹塑性有限元模拟分析。模拟结果表明,基板预变形处理影响成形件应力和变形的分布与大小,并可减轻基板的翘曲变形。预变形下基板下表面具有初始拉应力点的残余应力值比无预变形要小,基板与熔覆层接触的界面中间位置残余应力也小于无预变形的情况,直薄壁件最大残余压应力所在位置也发生变化。在两模型中,熔覆层两侧边缘位置变形严重,而中间位置变形较小。熔覆层首层的沉积对基板变形量影响最大,后续熔覆层的沉积对基板变形量影响程度逐渐减小并最终趋于稳定。成形前对基板进行适当的预变形处理可以有效控制成形件变形和改善应力分布。     

高能激光能量计吸收腔的温度特性

为了提高高能激光能量测量的精确度,减小不准确度,给出了一种吸收腔结构,对基于量热法的吸收腔的内、外壁温度差特性进行了理论研究和实验验证。用一维非线性傅里叶热传导方程分别建立了吸收腔在激光加热过程中和加热结束后的温度分布。利用模拟实验对激光照射吸收腔的过程进行模拟,得到内、外壁温度差的实验数据。利用ANSYS软件,根据激光加热的原理,建立了仿真模型,并用模型对理论分析结果作数值仿真。理论分析结果与实验数据非常接近。在激光照射过程中,虽然吸收腔内、外壁存在渐趋固定的温度差,但当照射结束后,该温差迅速减小,吸收腔到达平衡。     

激光喷丸强化6061-T6铝合金板料的表面完整性研究

采用数值模拟和实验相结合的方法研究了6061-T6航空铝合金板料经激光喷丸强化后表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、残余应力、表面显微组织结构等表面完整性的变化.结果表明激光喷丸后,试样表面喷丸区域的粗糙度降低;激光喷丸过程中冲击波诱导表面显微组织发生变化,位错密度增加,从而使得硬度增加,表面抗塑性变形能力得到提高;受喷板料正反两面均呈现残余压应力分布,最大残余应力值位于喷丸区域表面,厚度方向残余压应力随深度增加而逐渐减小.数值模拟得到的表面微凹坑截面轮廓及残余应力分布与实验结果相一致,表明可以用数值模拟方法对表面完整性进行预测,为激光喷丸过程参数优化和表面质量有效控制提供依据.     

As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压成型

硫系玻璃镜片是新型温度自适应红外光学系统的重要组件之一。随着红外热成像民用市场的日益成熟,对硫系玻璃镜片的产业化技术需求越来越迫切。文中进行了As2Se3硫系玻璃非球面镜片的精密模压实验,研究并优化出口径21 mm硫系镜片的模压工艺参数。通过模具的补偿修正,获得了完全满足镜片设计要求（PV值小于0.7 m）的模压镜片。此外,研究了模压处理对As2Se3玻璃物理性质的影响,发现模压后As2Se3玻璃的密度、硬度和玻璃转变温度Tg降低,最大透过率提高。通过拉曼光谱测试,分析并讨论了造成这种反常现象的微观结构原因。为今后较大口径非球面硫系镜片的批量制造提供了科学数据和参考。     

曲面复眼玻璃透镜模压过程仿真研究

为了揭示曲面复眼玻璃透镜光学精密模压过程中各个子眼应力分布变化状况，通过建立有限元模型，应用MSC.Marc有限元软件对不同工艺参数下的玻璃透镜模压、保压阶段进行了仿真研究，得到了温度、模压速率、模压力对各子眼应力的影响规律和模压力、位移曲线。然后，对不同模压方式下应力变化过程进行研究，发现在球形预形体变形量较大的场合，恒速率模压工况会出现随下压量增加导致外力过大、阻碍应力松弛的现象。最后，对保压阶段进行研究，得到了不同保压力对填充效果和子眼应力分布的影响规律。     

激光重熔路径对再制造涂层残余应力及表面质量的影响

为进一步提高再制造合金层表面质量，提升其综合力学性能，通过数值模拟与试验相结合的方式，研究激光重熔路径对熔覆层残余应力及表面质量的影响机理。首先，基于Simufact Welding软件平台分别建立了激光熔覆及三种不同扫描路径下的重熔模型，仿真研究重熔过程温度场及应力场变化规律。然后，进行了激光重熔工艺试验，通过X射线残余应力检测仪、基恩士超景深显微镜对再制造合金层的残余应力及表面形貌进行检测分析。仿真结果表明，重熔过程中工件表面各点的温度梯度比熔覆过程有明显的降低，重熔前工件最大残余应力为269.59 MPa，经激光重熔后，工件的残余应力得到明显的降低，且L1型重熔路径下工件的残余应力值最小，仅为重熔前应力值的1/2左右。残余应力试验结果与仿真计算数值偏差在10%以内，证明了仿真计算的准确性。通过对合金层的表面形貌进行三维提取发现，激光重熔能有效降低熔覆层表面粗糙度。     

激光冲击调整5B05铝合金残余应力状态的模拟仿真

开展了激光冲击波调整表面残余应力(主应力)状态的模拟仿真与实验研究。以ABAQUS为平台,建立了激光冲击5B05铝合金的有限元分析模型,研究了激光冲击参数对5B05铝合金激光冲击处理残余应力场的影响。模拟结果表明:随着冲击次数的增加,表层残余压应力逐渐增大,当冲击次数为3次时,增加并不明显,说明表面峰值残余压应力趋于饱和;在冲击压力一定的条件下,表面残余应力随光斑直径增大而增大,半径增加至一定程度后表面峰值残余压应力增幅会达到最小,基本保持不变。通过实验与模拟结果对比发现,尽管实验值与模拟结果存在一定的误差,但总体趋势一致,说明建立有限元模拟模型结构有效可行。     

硫系玻璃在民用红外车载成像系统中的应用

针对324256非制冷探测器,设计了一个工作波段为8~12 m,有效焦距为9 mm,F数为1.3,视场角为33.2626.28的红外车载镜头。镜头采用了硫系玻璃材料Ge28Sb12Se60制备的两片镜片,结合常规红外材料锗以及硫化锌材料制备其他两片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统整体无热化设计的效果。利用硫系玻璃易于精密模压制备非球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面。设计结果表明该系统在-40~60 ℃的温度范围内具有良好的消色差/热差性能,且调制传递函数(MTF)接近衍射极限。     

硫系玻璃在长波红外无热化连续变焦广角镜头设计中的应用

针对市场上现有红外广角镜头大多采用定焦结构且缺乏无热化设计的现状,根据光学变焦系统的设计原理,设计了一种有效焦距范围为10~24 mm（变倍比为2.4:1）、视场角变化范围为34~90、工作波段为8~12 m、F/#为2.8的无热化连续变焦广角镜头。考虑到红外镜头多用在温度变化较大的使用环境中,系统设计选用了硫系玻璃NBU-IR2（Ge20Sb15Se65）以及常规红外材料锗（Ge）和硫化锌（ZnS）制备的六片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度及其空气间隔等参数,在连续变焦设计的基础上实现了无热化的光学设计效果。实验结果显示,系统在-40~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外热成像效果,调制传递函数全视场范围内均大于0.25。系统结构较为紧凑简单、质量较轻,仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面,可有效控制光学系统的加工成本。整体设计适用于车载夜视等应用领域。     

Design of aplanatic waveguide Fresnel lenses and aberration-freeplanar optical systems

A modification of the waveguide Fresnel lens design that has phase-shifting zones placed on the curved contour is suggested. It is shown that the selection of a suitable shape for this contour allows coma aberration to be eliminated. Computer simulation results are presented to demonstrate the significant improvement of the optical characteristics for curved contour lenses. The aplanatic homogeneous refracting waveguide lenses are also considered. It is found that thick aplanatic refracting lenses and the proposed Fresnel lenses have field curvature aberration of opposite sign. This fact allows planar optical systems free from low-order aberration to be designed by combining refracting and Fresnel lenses. An algorithm for producing such a system is presented     

透射式低温光学红外相机全光路冷链热设计

某透射式低温光学红外相机工作于倾斜地球同步轨道,所处空间热环境复杂多变,整个光学路径部组件属于低温光学系统,对温度梯度及温度稳定性要求较高,这对热控系统设计带来挑战。结合相机在轨成像温度需求及空间外热流特点,详细分析了相机热控设计的重点和难点,通过低温热管热量传输和辐射制冷的方式实现了低温光学系统的降温,通过高效热防护、热隔离及间接辐射控温技术实现了低温光学系统的高精度控温。热平衡试验温度数据表明:成像模式下,各光学部组件温度均满足指标要求,光学透镜温度均匀性和稳定性较高,光学透镜间最大温差小于1 K,最大温度波动小于±0.3 K,实现复杂内外热环境下光学透镜高精度控温;加热去污模式下,利用低温热管“热开关”的特点在常温下热阻增加,通过较小热控功耗实现光学透镜加热去污的需求。     

Ge-As-Se-Te硫系玻璃的飞秒激光损伤特性

Ge-As-Se-Te（GAST）硫族化物玻璃拥有超过20 μm的超宽透射范围,是一种可应用于中红外（MIR）和远红外(FIR)波段的优良光学材料。通过熔融淬火法制备了Ge_xAs_40?xSe₄₀Te₂₀（x = 0、10、20、30、40 mol%）系列硫系玻璃,采用不同波长（800 nm,3 μm和4 μm）、功率和重复频率的飞秒激光辐照硫系玻璃,利用扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱等手段研究了GAST的激光损伤特性。研究结果发现,Ge_xAs_40-xSe₄₀Te₂₀玻璃的激光诱导损伤阈值（LIDT）随着样品中Ge含量的增加而增加,在800 nm下Ge₃₀As₁₀Se₄₀Te₂₀玻璃的LIDT达到最高40.16 mJ/cm2。随着飞秒激光波长增加,系列玻璃的LIDT也逐步增加,Ge₃₀As₁₀Se₄₀Te₂₀在4 μm激光辐照下LIDT达到81.09 mJ/cm2。此外,研究结果表明样品LIDT随着激光的脉冲辐照数量和重复率的增加将逐渐减小。     

用于产生中红外超连续谱的硫系玻璃色散研究

硫系材料由于具有较长波长的红外透光截止波段,且具有较高的线性折射率和高非线性系数,是产生中红外超连续谱激光的理想非线性介质材料。由于泵浦非线性介质一般多采用波长2 m以下的激光源,所以研究材料的色散很有意义。利用4种不同形式的方程拟合了3种硫系玻璃材料As2S3、As2Se3、Ge33As12Se55的折射率随波长的变化曲线,并计算了材料色散曲线,得到了较为理想的结果,3种材料的零色散波长分别为4.8 m、7.2 m、6.1 m。同时证明了对于硫系玻璃材料,不能只利用短波长下的折射率值拟合计算长波长下的折射率。     

掺铒硫系玻璃光纤的中红外增益特性模拟研究

实验制备了Er3+掺杂质量分数为1%的Ga5Ge20Sb10S65硫系玻璃,测试了其折射率、吸收光谱和荧光光谱,利用Judd-Ofelt和Futchbauer-Ladenburg理论计算了Er3+离子的自发辐射几率、吸收截面和受激发射截面等光谱参数。在综合考虑Er3+离子的交叉弛豫、能量上转换和激发态吸收效应的基础上,应用四能级粒子数速率-光功率传输方程模型,模拟计算了Er3+掺杂Ga5Ge20Sb10S65硫系玻璃光纤的中红外2.74μm波段的增益特性。结果显示,Er3+掺杂硫系玻璃光纤在2.74μm中红外波段具有较高的信号增益和较宽的增益谱,最大增益值和20dB增益带宽分别超过了40dB和200nm,表明其是可用于中红外2.74μm波段宽带放大的理想增益介质。