针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推导工作面上的光强分布数学函数。利用Zemax软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用LightTools软件仿真变曲率光学积分器与等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升56%,Φ100 mm辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm辐照面内优于±1%。

太阳模拟器能够较准确地模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性, 具有较高的空间外热流模拟精度。其主要用于航天器的热平衡试验、热涂层特性试验和材料老化试验, 可以有效地检验卫星的光辐照性能, 验证航天器的热设计。针对大中型太阳模拟器特性, 设计一种积分器组件, 可承受高温负荷, 保证大中型太阳模拟器的均匀性及辐照度性能指标。介绍了太阳模拟器积分器组件原理, 通过Lighttools、Flunet对积分器组件进行结构设计、热设计及仿真计算。设计结果表明, 中型太阳模拟器辐照面可达到Ф2000mm, 辐照度不均匀性可达到±4%。试验结构表明, 系统辐照面可达到Ф2000mm, 辐照度不均匀性可达到±3.75%, 辐照度最高可达到1.39个太阳常数, 能够满足大中型太阳模拟器使用。

辐照强度均匀性是太阳模拟器的一项重要指标,采用光学积分器进行匀光具有设计复杂和成本高等问题。采用三维打印技术制备的模具,将超高效镜面反射片压制为微球面反射镜片,用两片微球面反射镜片和圆筒形光导管组成新型匀光器,利用光的漫反射原理,得到在150 mm直径光斑上的辐照强度不均匀性为1.12%,该结果达到IEC 60904-9的A级水平。新型匀光器具有结构简单、光源利用率高、造价低廉等特点。

常见的光滤波器主要对波长进行选择, 当滤波器带宽变窄时, 对光波长的漂移就会变得敏感, 限制了其使用范围。本文提出的光滤波器是基于由透镜和多模光纤组成的全光积分器。我们依据其时域特性对该滤波器的频域滤波特性进行了分析。该时域滤波器可以用于光载波恢复, 通过数值仿真验证得出该技术使相位调制信号两边带间和载波间的强度关系发生改变, 在不使用本振激光器的情况下完成光信号相位调制到强度调制的转换。

针对目前LED太阳模拟器辐照度低、光谱匹配性差等不足，提出一种由LED阵列光源，菲涅尔透镜、光学积分器、准直物镜组成的LED太阳模拟器。首先根据多光谱拟合理论，在400～1 100 nm优选15种不同波段的LED光源，计算出光源所需功率，实现太阳光谱的精确匹配。其次优化设计了菲涅尔透镜、光学积分器以及准直物镜，校正了太阳模拟器的像差，提高了太阳模拟器的能量利用效率以及辐照均匀性，并利用LightTools软件对所设计的光学系统进行仿真分析。最后搭建了光学系统实验装置，测试结果表明：100 mm×100 mm内的辐照度达到1 376.3 W/m2；拟合的太阳光谱匹配度达到AM1.5条件中的A级，辐照不均匀度为±1.73%，辐照不稳定度为±0.82%，综合性能指标达到太阳模拟器中的3A级水平。

为解决现有太阳模拟器无法同时模拟真实太阳张角和真实辐照度(一个太阳常量)的难题, 设计了一种新型太阳模拟器光学系统, 阐述了光学系统中聚光镜的设计、光学积分器的优化技术及投影镜组的离焦对辐照不均匀度的影响.利用Zemax软件, 以序列与非序列功能相结合的方式对积分器的光学参量进行优化, 并设计了视场光阑和准直物镜系统.利用LightTools软件对光学系统进行仿真, 结果表明: 设计的太阳模拟器可以实现32′的真实太阳张角模拟, 且辐照度达到一个太阳常量.同时, 辐照面小于Φ100 mm时, 不均匀度优于±1.6%; 辐照面在Φ(100～300)mm时, 不均匀度优于±3.8%.

针对当前太阳模拟器辐照均匀性难以提高的问题，设计了一种新型集束式光学积分器。在对称式光学积分器理论分析的基础上，介绍了集束式光学积分器的设计过程，用LightTools 软件对太阳模拟器光学系统进行模拟仿真。结果表明，使用集束式光学积分器后，太阳模拟器不均匀度显著降低，在Φ 50 mm 范围内小于0.2%，Φ (50~120) mm 范围内小于1.5%，满足高辐照均匀性的使用要求。

设计一种能够同时满足辐照面辐照度达到一个太阳常数和32′张角的太阳模拟器。利用理论计算和光学软件仿真相结合的设计方式,对聚光系统、积分器和准直系统分别进行设计与优化,并提出一种新的氙灯建模方式,最后利用lighttools对整体光学系统进行仿真分析,获得了各部件在光学系统中的最佳位置,使整个光学系统达到较高的能量利用率和辐照均匀性。

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题，设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理，对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计，并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真，提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm×200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到172 %。

针对提高太阳模拟器辐照均匀性的要求，提出对聚光镜及积分器进行优化设计的方法，在保证较高能量利用率的基础上，实现大幅提高辐照均匀性的目的。通过光学软件LightTools对设计结果进行仿真验证，并与原始设计的太阳模拟器的光学系统均匀性进行比较，证明了所采取优化方法的正确性与可行性。