1 中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621900
2 深圳市第二人民医院烧伤整形科，转化医学研究院，广东 深圳 518035
飞秒激光加工技术主要是利用激光焦点对材料进行微区去除，结合加工路径的精准规划和激光参数的精确调控，实现各种功能微结构的精密加工。然而，在实际加工过程中，材料表面并非都是理想平面，这引起激光焦点与材料表面的相对距离发生变化，导致材料表面接收的激光焦斑尺寸不一致，进而造成飞秒激光加工的微结构不均匀，最终不满足某些应用场景的实际需求。针对该问题，提出了基于分区域平面拟合和二维插值的两种校正方法，即在待加工区域内以少量采样点近似描述材料表面起伏形貌，并以此为依据校正加工路径的高度坐标，使飞秒激光加工过程中激光焦点和材料表面的相对距离控制在不影响加工效果的范围内。试验结果表明，这两种校正方法都能保证飞秒激光加工大面积微结构的均匀性和一致性，是解决非平整表面不易实现高品质微结构加工的有效方法。
飞秒激光 精密加工 非平整表面 分区拟合 二维插值 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1714009
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为保证大口径离轴三反消像散（Three-Mirror Anastigmat，TMA）光学系统在轨成像质量，探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理，以矢量像差理论为基础，用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差，并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现，位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散；提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式，以系统出瞳波像差RMS值为评价标准，构建离轴TMA系统像差补偿模型，利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时，所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ；系统三镜存在0.05λ像散与彗差时，可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ，且当三镜面形误差在（−0.03λ，0.03λ）范围内时，可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值，使系统成像质量满足要求，为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。
离轴三反消像散 矢量像差理论 像差补偿 波像差 off-axis three-mirror anastigmat nodal aberration theory figure error compensation wavefront error 红外与激光工程
2023, 52(4): 20230053
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
本文首次提出并构建了自准直仪光电探测器失调的数学模型。基于该模型，分析了光电探测器相对于理论像面处于空间任意位置和朝向时对自准直仪测角的影响。结果表明，探测器失调造成的测角误差随准直物镜焦距f的增大而减小，随自准直仪到被测镜面的距离L以及待测角度θ的增大而增大。计算发现，当f=300 mm，L=100 mm，θ=20″时，因探测器失调引起的测角误差达到0.004 5″。文章进一步分析了各种探测器失调误差单独作用时对自准直仪测角的影响，验证了模型的正确性，并发现探测器离焦对自准直仪的影响最大。根据本文计算结果，选择长焦距的成像物镜、减小测量距离、提高光电探测器沿轴向的安装精度是减小光电探测器失调对自准直仪影响的关键。基于提出的数学模型，可以系统地计算探测器失调对自准直仪测角的影响，进而为构建更加完善的自准直仪误差模型奠定基础。
自准直仪 测角精度 光电探测器失调 误差分析 autocollimator angular measurement accuracy misaligned photodetector error analysis
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对大口径空间天文望远镜稳像精度测试的难题, 提出了一种高时空分辨率运动导星模拟方案。利用硅基液晶作为运动导星模拟源, 结合光束准直系统为空间天文望远镜提供无穷远运动导星, 并且通过在光路中加入物镜来提高模拟导星的运动分辨率。针对望远镜像面结构的特殊分布, 提出利用多路模拟的方法, 分别为望远镜两侧精密导星仪以及巡天像面提供实时运动导星。最后, 对影响运动导星模拟精度的各项误差进行分析, 进而建立了误差模型。仿真结果表明: 在运动导星模拟精度优于0.5″的概率为95%, 时间分辨率为3 ms的前提下, 动态星图星间角距误差小于0.04″, 单星张角小于0.02″。通过实验验证了导星模拟模型的正确性, 该模型基本满足空间天文望远镜稳像精度测试所需运动导星目标高时空分辨率的要求。
空间望远镜 运动导星 稳像精度 硅基液晶 物镜 误差模型 space telescope moving guide star image stability accuracy liquid crystal on silicon objective lens error model
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间三部, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
随着天文探测水平的提高,偏振像差对天文望远镜成像质量的影响逐渐凸显。基于偏振光线追迹,分析了一种用于探测宇宙弱引力透镜效应的无遮拦离轴天文望远镜的偏振像差,得到了该望远镜的琼斯瞳、振幅响应矩阵以及望远镜中各个反射镜的二向衰减和相位延迟分布特性。计算发现偏振像差会影响该望远镜的成像对比度,同时还会改变其点扩展函数的空间分布。计算了偏振像差对望远镜光学椭率的影响,结果表明偏振像差会导致该望远镜光学椭率在全视场范围内发生不同程度的变化,最大改变量为7.5×10 -3,平均改变量为2.7×10 -3。在视场[-0.0487°,0.155°]附近,偏振像差使得该望远镜光学椭率最大插值误差由1.2×10 -4增大为1.1×10 -3。本文研究结果表明,对于探测弱引力透镜效应等要求超高成像质量的天文望远镜,偏振像差不可忽略,需要进行优化设计。
成像系统 无遮拦离轴天文望远镜 偏振像差 光学椭率 点扩展函数 弱引力透镜效应
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
伴随空间光学载荷口径增大, “天地力学环境不一致”导致光学系统在轨像质严重下降, 需要地面装调测试过程卸载重力。但定量的卸载点布局分析、优化方法有待完善。首先研究了大口径光学载荷1 g重力下变形机理, 分别基于位置闭环和受力闭环, 建立优化卸载点布局的数学模型, 并通过协同仿真获得卸载点布局优化结果。利用仿真卸载实验验证不同卸载参数下, 光学载荷的实际卸载效果。基于位置闭环的卸载方法将高敏感光学组件的位恣平均变化量由370 μm、36″改善至72.9 μm、0.3″, 而基于受力闭环卸载方法的最大相对偏差约为7.4%。基于位置闭环的卸载分析方法可获得更接近0 g的卸载效果, 但误差敏度极高, 不易工程实现。基于受力闭环的卸载方法总卸载率约75%, 对卸载残差的敏感度相对较低, 可满足半物理仿真实验对力学环境的模拟需求。
大口径空间光学望远镜 装调与测试 重力卸载 卸载点布局 large-aperture spatial optical telescope alignment and teasting 0 g gravity simulation unloading point coordinates 光学 精密工程
2018, 26(11): 2764
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 冲击波物理与爆轰物理重点实验室, 四川 绵阳 621900
针对当前大部分超快激光制造系统中存在的三维移动平台控制软件和光学显微镜软件集成化程度低而导致的操作方式繁琐等问题，设计了一种基于LabVIEW软件开发平台的集成化超快激光制造系统控制软件，以实现对超快激光制造系统的高效调控。该系统由飞秒激光器、三维移动平台、在线监测CCD、激光功率计、快门和计算机等六部分构成。设计思路是基于LabVIEW软件平台的多线程编程技术，将飞秒激光束的通断与三维移动平台的移动实现协调控制，采用CCD相机对样品进行对焦和监控加工状态，利用激光功率计对激光功率进行在线监测，并将其集成于同一界面以实现控制。实验证明，与常见超快激光制造系统相比，该系统稳定度高、操作简单、界面简洁、可扩展性强、调节效率高。
系统集成 多线程 超快激光 激光制造 system integration multithreading LabVIEW LabVIEW ultrafast laser laser manufacturing 强激光与粒子束
2018, 30(3): 031002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
高分辨率成像光纤传像束制备工艺的进步使得传统高性能光电成像仪器具备柔性, 并且使仪器的体积和重量大幅减小。面阵光纤传像束和面阵CCD间的像元耦合离散采样效应, 导致了传统成像质量评价模型的局限性。从光强度呈余弦分布的光信号在面阵光纤传像束和面阵CCD中的传递过程出发, 建立了耦合离散采样系统的耦合调制传递函数(Coupled-MTF)模型, 研究了Coupled-MTF的收敛特性及其随像元耦合误差的变化规律等。研究表明, 若输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差为1%, 当阵列中包含的像元总数超过1000时, Coupled-MTF振荡收敛为固定值。输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差越小, Coupled-MTF振荡收敛的速度越慢。Coupled-MTF的振荡幅值在弧失和子午方向不同, 且与各自方向的像元耦合误差有关。Coupled-MTF随面阵光纤传像束与面阵CCD间的像元耦合误差周期振荡, 理论上振荡周期为包层直径。在奈奎斯特频率及其分频附近的频域, Coupled-MTF在给定空间频率处不为固定值。上述特性有别于传统空不变成像系统的调制传递函数。
光纤光学 面阵光纤传像束 成像质量评价 调制传递函数 像元耦合误差 振荡收敛
