针对传统的滑环存在通信宽带不足、接触磨损寿命低的问题, 设计了一种基于空间激光通信的离轴盘式无线光滑环, 并完成了样机研制。该光滑环采用光学追迹仿真技术, 将4个红外发射器均匀等间距地布置在光滑环的 4 个角, 使接收端旋转时能连续稳定地接收到光功率。光学仿真和性能测试结果表明: 在传输距离为20~200 mm时, 离轴盘式无线光滑环的接收功率为-28.3~-29.2 dBm,满足探测器灵敏度(约-30 dBm)的要求; 在0～500 r/min旋转环境下, 其误码率会随着传输距离的增加而增大, 但整体误码率均小于10-6。

基于VO2/Si3N4/Al结构设计了一种发射率可调控的智能辐射器 (SRD)。通过薄膜特征矩阵理论SRD的光学特性进行分析, 结果表明VO2的厚度决定了SRD的辐射能力, 其调控光谱范围与介质层Si3N4的厚度密切相关, 优化后的SRD发射率调控范围为0.38。采用MgF2/Si3N4双层减反膜进一步优化SRD, 使其低温(20 ℃)和高温(100 ℃)发射率分别达到0.30和0.91, 调控范围扩大至0.61。利用有限时域差分法分析了有无减反膜时SRD的辐射场分布, 结果表明减反膜可以提高SRD的温度调控效率, 增强空间复杂环境适应能力。设计思路对高性能SRD的制备和航天器热控系统的轻量化具有重要意义。

设计了一种Au/VO2周期性方形孔洞阵列结构的红外吸收器, 利用时域有限差分法研究了吸收器的结构参数对吸收光谱的影响, 优选出VO2和Au膜层厚度分别为140 nm和80 nm, 孔洞边长和阵列周期分别为1.1 μm和1.2 μm时, 吸收可调控特性最为明显, 在2.3 μm处其高低温的吸收率差值可达80.3%.理论模拟计算了光以不同偏振、入射角入射时的吸收, 结果表明, 正入射时吸收器是偏振无关的; 斜入射时吸收器具有广角吸收的特点, 与TM偏振相比TE偏振下吸收器具有更强的角度依赖性.低温时吸收器中的电磁场呈高度局域化分布, 表现为强的吸收; 而高温时吸收器中的电磁场分布在吸收器表面, 吸收被抑制.所设计的吸收器吸收效率高, 吸收强度可以调控, 可应用于新型可调控智能光电器件.

为了得到相变温度低且性能优越的智能窗光学材料,基于时域有限差分法模拟计算了不同结构的VO2纳米周期点阵相变前后的光学特性,优选出最佳的VO2纳米周期点阵结构.采用直流磁控溅射和后退火工艺在玻璃衬底上制备VO2薄膜,再利用掩膜光刻的方法制备VO2纳米周期点阵结构,测试其组分结构,反射和透过率曲线.结果表明,填充比为0.74的圆形纳米周期点阵的相变温度有效降低了约25 ℃,在波长为1700 nm处的透过率改变量达到39 %,透过率整体高于VO2薄膜,呈现出良好的相变光学特性,说明通过调控VO2纳米周期点阵的结构可以有效提升材料的光学特性.

基于VO2薄膜的热致相变特性,利用修正的Sellmeier色散模型和有限时域差分法计算了Au/VO2双层薄膜纳米点阵的透过率和反射率,发现其存在反转效应,且反转效应受点阵间距、膜层厚度和颗粒半径等参量调控.随着颗粒间距的增大,透射谱中谐振峰的位置发生红移,透过率反转差值增加,但间距进一步增大时,反转效应消失.随着Au/VO2膜层厚度的减小,透过率明显增大,透过率反转差值也随之改变.随着颗粒尺寸的增大,相变前后的透过率差值逐渐增大,但当颗粒尺寸进一步增大时,透过率反转效应不明显.对点阵间距、膜层厚度和颗粒半径的优化结果表明, Au/VO2双层薄膜纳米点阵间距为9.8 nm、VO2层厚度和Au层厚度均为110 nm、颗粒半径为58 nm时,反转效应最明显,其相对透过率反转差值可达91%,其相对反射率反转差值可达90%.

为了实现光信号的离轴旋转连接，设计了一种新型的离轴旋转光纤传输系统。基于高斯光束传播理论，分析了大口径光纤准直器对高斯光束的扩束准直作用，利用ZEMAX 对准直器的结构和输出光束特性进行了优化。对离轴旋转光纤传输系统进行了实验测量，结果表明大口径光纤准直器输出光束在50 mm 的工作距离处能量分布满足高斯型，其束腰半径达到18 mm，远场发散角仅为5.48×10-2 mrad，在1.25 Gb/s 的信号传输速率及80 r/min 的转速下，系统的最大连接损耗为23.28 dB，整体性能满足了旋转部件之间稳定传输高速光信号的要求。