为了有效校正透射式色散型成像光谱仪系统的谱线弯曲，提出了一种基于狭缝离轴的畸变补偿方法。该方法首先假设中心波长谱线弯曲得到校正，计算出色散元件的入射角随狭缝长度的变化关系；接着对狭缝进行离轴处理，利用准直镜的畸变得到色散元件的目标入射角，从而校正中心波长的Smile畸变（谱线弯曲），剩余波长的Smile畸变和Keystone畸变（色畸变）向外弯曲，整体呈枕形畸变；最后使用会聚镜的畸变校正剩余谱线弯曲。利用该方法设计了一款反射光栅型成像光谱仪，在各项参数满足设计要求的同时，利用准直镜畸变校正了系统的谱线弯曲，基于该设计研制了原理样机，系统Smile畸变最大为12.9 μm，Keystone畸变最大为6.4 μm，测试结果满足系统的设计要求，证明了该方法的可行性。

近年,用于航天环境模拟的光照模拟设备备受关注,其主要包括太阳光照模拟器,灯阵光照模拟器、红外加热笼等。太阳光照模拟设备主要包括灯室、积分器、窗口、反射镜等,因立式光照模拟结构特殊性其金属反射镜需要采用吊挂式结构,结合光照模拟系统高辐照、高热能特点, 会在金属反射镜表面产生较高热射能量, 其载荷作用下的温度均匀性及热变形指标对光照模拟设备的辐照均匀性影响至关重要, 即高辐照吊挂式金属反射镜对热稳定性要求较高。针对高辐照光照环境模拟设备使用的吊挂式米级金属反射镜热稳定性能进行系统性分析,主要针对立式光照模拟设备中使用的单块米级金属反射镜进行热稳定性分析,包括热仿真验证及分析、力学仿真分析、光学仿真分析,最终进行结构优化至满足高辐照光照模拟设备的辐照均匀性指标要求;提出的热稳定性分析方法对后续高辐照立式光照模拟设备中关键部件,吊挂式金属反射镜结构设计提供了指导方法。

高亮度、高功率半导体激光尾纤模块中的光束准直是保证高亮度输出的关键因素,光束准直的实现除了需要准直发散角小,还需要极好的光轴指向性,从而保证光束的精密耦合。在半导体激光直接应用中,依靠机械对准保证光轴的指向是有限的,并需要进一步采用光学校正的方法来保证光轴可调。基于光在介质中的折射原理,研究了异形慢轴准直镜对快轴方向激光光轴指向性的校正作用,当慢轴准直镜的倾斜角约为0.23°时,原有的快轴指向偏差约为2.1 mrad,校正后的光轴偏差降低到约290 μrad,这使得光纤前的光能够精密对准,极大地提高了耦合进光纤的功率,提高了光纤耦合的效率,从而为高效率、高亮度光纤耦合半导体激光模块的研制提供了新的思路。

随着航空航天技术的发展,空间环境模拟的需求增多,太阳辐照模拟也备受关注。目前,较为成熟的太阳模拟器多为卧式太阳模拟器,其准直镜机构多采用拼接形式,而立式太阳模拟器具有节省空间的优势,其发展日趋成熟。根据太阳模拟器的总体要求,设计了一种应用于高辐照立式太阳模拟器的大口径俯视多维调节准直镜机构。根据高辐照、低背景工作环境特点,设计了多维可调节柔性吊装机构。为了提高系统的整体调试性能,采用单块整镜结构设计,降低了结构的复杂性。针对以上设计进行了计算及仿真分析,结果显示,柔性吊装机构可以有效平衡准直镜自身重力及环境温度造成的应力变形,最终满足太阳模拟器辐照度及辐照均匀性的使用需求。

由于高功率半导体激光器具有能量转换效率高、稳定性好、工作寿命长、体积小等优异的特性, 已经被广泛地用于固态激光器泵浦源、金属表面改性、焊接加工等领域。本文针对传统慢轴准直镜对于高填充因子的半导体激光阵列准直效果不好的问题, 提出了基于双焦距透镜的准直器件, 通过在一个面的相互正交的两个方向上分别设计不同的面型参数实现用一个器件同时对半导体激光器快慢轴两个方向同时准直的效果。应用费马原理推导了该透镜的面型参数, 得到两个面均为双曲面, 快轴方向的顶点曲率半径为0.074 95, 圆锥系数为-3.061, 慢轴方向的顶点曲率半径0.843, 圆锥系数为-3.061。最终得到的经过双焦距准直透镜准直之后的残余发散角分别为34.4 mrad (FWHM)和19 mrad (FWHM)。仿真结果表明这种设计可以实现与之前分离式两轴准直镜几乎相同的准直效果, 解决了传统FAC与SAC结构对高填充因子激光阵列参数受空间限制的问题, 同时减小了装调误差。

由于太阳模拟器可以精确模拟太阳光, 近年来, 越来越多空间环境模拟试验采用太阳模拟器来模拟在轨高温环境。介绍了一个有效光束直径2 m的大型太阳模拟器, 其准直镜由19块正六边形的球面单元镜拼接而成; 分析了球面反射镜光学装调常用方法, 以球心自校准法为基础, 提出一种拼接式反射镜的装调方案; 详述了该拼接式准直镜的装调过程, 拼接后有效口径2 710 mm, 半径13 280 mm; 此外, 还介绍了大气环境下、真空低温环境下和真空热试验过程中大型太阳模拟器主要辐照特性检测方法及装置, 为太阳模拟器在工程中的更好应用提供参考。

在极大望远镜宽视场光谱仪准直镜结构轻量化研究中, 实施多学科多目标优化的可行性设计。通过多目标遗传算法结合多学科协同对准直镜轻量化结构进行优化设计, 即以镜面形状要素为优化参数、镜面面型和质量为目标, 并借助遗传算法为优化算法获取Pareto最优解。对比研究了不同轻量化孔轻量化后综合性能和轻量化后准直镜的热稳定性, 三角型轻量化后准直镜轻量化率为70%, PV值为82.696 nm; 矩形轻量化孔准直镜轻量化率为75.3%, PV值约为107.03 nm; 准直镜环境温度变化为10 K时, 准直镜形变约增加一倍。研究结果表明: 三角形轻量化孔综合评价优于矩形孔; 准直镜结构轻量化多目标优化设计全面考虑了准直镜结构轻量化、轻量化孔形状要素和光学面型形变等多学科之间耦合问题, 设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解, 这将大幅度降低开发成本和周期。

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。

一些C-T型单色器存在光栅零级回反现象,这会引起严重的杂散光问题。从球面准直反射镜及光栅系统的基本几何关系入手,运用几何光学原理入手,分析了C-T型单色器光栅准直镜系统产生零级回反的充分必要条件,即零级光柱落在第一准直镜反射面,同时光栅一部分位置落入第一准直球面镜的边缘法线以内。从而提出了在初始设计计算阶段避免光栅准直镜系统产生回反的理论措施及设计计算方法。即在设计阶段适当增加入射角,以及适当增加光栅与第一准直镜的相对距离。从而使得光栅位置全部落在第一准直镜边缘法线以外,因此能够确保系统无零级回反产生。