强激光与粒子束
2021, 33(3): 034001
1 海军驻洛阳地区军事代表室，河南 洛阳 471000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000
3 光电控制技术重点实验室，河南 洛阳 471000
利用一种新型“偏轴三反式”构型设计了多波段共光路望远分系统。该望远分系统具有大口径、放大倍率高、结构紧凑、装调难度低等特点。利用该分系统可以实现可见光、红外、激光接收的共孔径设计，适用于机载光电侦察设备。从同轴三反式结构出发，利用初级像差公式，得到系统初始结构。所设计的望远分系统的通光口径为240 mm，放大倍率为12。该望远系统后端可与焦距为110 mm，探测器为640×512@15 μm的红外会聚系统连接，使得红外系统焦距为1320 mm；也可以与焦距为121 mm，探测器为1920×1080@5.5 μm的可见光会聚系统连接，使得可见光系统焦距为1452 mm，实现可见光、红外共孔径设计。望远分系统设计实例表明，系统像质接近衍射极限，各像差均得到良好校正。
多波段共光路光学系统 望远系统 偏轴三反 光学设计 multispectral common-aperture optical system telescope optical system off-axis three mirrors optical design
为了提高激光测风雷达性能, 采用数学建模的方法, 基于环行器工作原理, 分析了环行器出射光束质量, 讨论了光束发散角对目标距离处激光峰值光强的影响, 提出了环行器光束接收效率定义, 研究了发射和接收光轴偏轴度对探测距离的影响。并搭建实验平台, 取得远场光斑参量, 验证了仿真结果。结果表明, 随着出射光束发散角增大, 相同作用距离处的相对峰值光强减小; 雷达探测距离主要受偏轴角度的影响, mrad量级的偏角会使探测距离减小89.7%。因此, 应合理增大光学天线准直倍率, 并且设计的角度调节结构精度应优于0.1mrad量级。
激光技术 激光测风雷达 环行器 光束质量 偏轴度 laser technique wind lidar circulator beam quality misalignment
1 长春理工大学空间光电技术研究所, 吉林 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
基于矢量像差理论，提出了以Fringe Zernike多项式为表征函数的偏轴自由曲面光学系统像差分析方法，推导了偏轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式，分析了自由曲面对偏轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性，有针对性地选取和优化Zernike系数，设计了一个偏轴两反自由曲面长波红外光学系统，系统有效焦距为500 mm，口径为300 mm，采用384 pixel×288 pixel非制冷红外探测器接收，像素大小为25 μm。优化后的系统三阶像散和彗差节点被重新移至视场中，平衡了系统偏轴引起的非对称像差，系统成像质量接近衍射极限，满足使用需求。
几何光学 矢量像差 Zernike多项式 自由曲面 偏轴
1 哈尔滨工业大学 控制科学与工程系，黑龙江 哈尔滨 150001
2 天津津航技术物理研究所，天津 300308
常规反射镜平台采用方位/俯仰型两框架结构形式，探测器视轴平行于外框架旋转轴。区别于常规反射镜平台，偏轴反射镜平台不再遵循探测器视轴与外框架旋转轴平行的原则，其视轴角速度具有强耦合和非线性的特点。主要研究了这类偏轴反射镜平台的运动学、动力学建模和视轴稳定机理。首先，采用虚拟整体稳定平台技术推导平台运动学方程，并确定了虚拟平台框架类型的选取原则。在此基础上推导了完整的视轴坐标系动力学模型。然后，对载体运动耦合机制进行了分析并给出了控制框图。最后，对视轴运动特性进行仿真分析。仿真结果表明，该平台在视轴指向、力矩耦合等方面具有不同于常规反射镜平台的特性，且由视轴运动非线性引起的视轴交叉耦合力矩大于惯量耦合力矩。
偏轴反射镜 虚拟整体稳定 运动学模型 动力学模型 bias shafting mirror artificial mass stabilization kinematics model dynamics model
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 研究生部, 北京 100088
离子反轰会造成直流高压电子枪内光阴极的量子效率衰减,降低阴极的工作寿命和稳定性,是限制光阴极直流高压电子枪性能的重要因素之一.基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光(THz-FEL)的直流高压电子枪,通过束流动力学模拟和阴极量子效率测量,研究了束流偏轴发射对离子反轰的抑制作用及其应用限制.模拟结果表明:束流偏轴发射时,离子主要轰击阴极的电中心附近,光电发射区域的离子通量较轴上发射时降低约95%;但束流发射度增大约4π mm·mrad,横向运动幅度增加约1倍.通过电子枪运行前后阴极量子效率测量,发现束流偏轴发射时离子反轰引起电中心附近量子效率大面积的衰减,而光电发射区域量子效率损失较小,验证了束流偏轴发射抑制离子反轰的可行性.
离子反轰 束流偏轴发射 光阴极 直流高压电子枪 量子效率 ion back bombardment beam off-axis emission photocathode DC high voltage photocathode gun quantum efficiency 强激光与粒子束
2015, 27(6): 065101
中国科学院安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
星载大气痕量气体差分吸收光谱仪通过获取地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射，监测大气痕量气体的全球分布。为实现大视场、紫外/可见光宽波段探测、高光谱分辨率和小型化等研制目标，设计了一种前置光学系统，具体由前置望远镜和中继光学系统构成。其中，前置望远镜通过两片偏轴球面镜实现在交轨方向114°视场的覆盖；中继光学系统则通过中继反射镜、分色片及中继镜头将探测光谱（240~710 nm）分为4个光谱通道，并将各谱段的光分别导入各自光谱成像系统中进行探测。设计结果表明，前置光学系统在大视场范围内、在探测的紫外/可见光宽波段内均能具有良好的成像结果，为后续的光谱成像达到高光谱分辨率提供了保障。前置光学系统整体体积紧凑，重量轻，在无摆扫前提下，满足大视场需求以及适应星载等平台的搭载需求。
光学设计 大气痕量气体差分吸收光谱仪 前置望远镜 偏轴 中继光学系统
1 中国科学院 国家天文台 南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院 研究生院, 北京 100049
光纤入射光束的角度和位置的变化对光纤出射光束的远场光强分布有较大影响。通过分析光纤出射光场的光强分布,研究了斜光束的偏轴角对光纤出射光场的影响。光纤耦合理论说明光纤的宏弯曲会使光纤内部模式相互耦合,根据这一原理设计一种能使光纤宏弯曲并以此来改善光纤出射场分布的机械扰模器。在实验中,对不同偏轴角入射及处于不同扰模程度的光斑进行中值滤波、高斯拟合等处理,得到光斑的径向光强分布曲线、高斯拟合度、不同出射焦比范围的能量变化等参数,以此分析机械扰模器的扰模效果。
光纤 机械扰模器 偏轴光束 高斯拟合 fibre mechanical scrambler off-axis beam Gaussian fitting
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京 100083
2 中航一院12所 控制与信息技术国家重点实验室，北京 100854
球面波入射圆锥透镜产生的出射光束中心光斑直径较小且焦深长，适合通讯领域长距离测量和准直。针对实际操作中球面波光束入射时很可能与圆锥透镜的中心轴线发生偏移或倾斜，使衍射光场发生变化，着重研究圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式，并通过衍射理论和稳相法分析，研究其径向衍射光场的分布特性。使用半径为15mm，底角为1°的圆锥透镜进行计算机仿真和实验，最后将实验结果与理论分析和仿真结果相比较，证明球面波的曲率半径和出射光束的传输距离越小，偏轴对衍射模式的影响越小。该研究结果表明：在激光通讯等长距离通信中，使用曲率半径小的球面波光束代替平面波入射圆锥透镜，不仅可以扩展焦深，还可以降低偏轴对测量的影响。
圆锥透镜 球面波 偏轴率 衍射模式 conical lens spherical wave eccentricity diffraction mode
用解析方法求出消除中心视场球差、彗差及像散的偏轴两镜系统的结构及面形参数.根据解出的参数进行光线追迹,得到中心视场像斑尺寸在0.2″以内.要改善边缘视场的像质,需要在双曲率面镜上加高次项,并偏离解出的某些参数.对于F/11左右的系统,可以得到±0.6°视场边缘有1.5″～1.9″的像斑角尺寸.这种系统的子午与弧矢焦距不等,相差在1%以内.
偏轴系统 两镜系统
