长光卫星技术股份有限公司，吉林 长春 130033
为解决传统柔性支撑中小口径空间反射镜组件热稳定性与结构刚度间的矛盾，提出了一种新型刚性支撑结构，并为某高分辨率空间相机研制了通光口径?214 mm的高精度次镜组件。采用“镜体-锥套-支撑筒-刚性基板”组合，通过延长、优化热应力在组件内部的传递路径实现了消热目的。刚性支撑次镜组件重2.6 kg、4 ℃均匀温升工况下面形变化均方根（RMS）仿真值为2.573 nm，装调重力工况下镜体倾角和位移分别为2.028″、0.566 μm，与传统柔性支撑方案相比具有突出的优势。实测次镜的面形精度RMS为0.0181λ（λ=632.8 nm），在16 ℃及24 ℃时次镜面形变化量不超过0.0025λ；组件基频达到502.1 Hz，在快速高低温循环及大量级振动后次镜面形基本维持不变；装配容差测试中，次镜在0.02 mm不平度的作用下仅发生微弱变形。刚性支撑结构可以显著提升中小口径反射镜工作性能，在遥感器光机结构研制领域内具有广阔的应用前景。
空间光学 反射镜 刚性支撑 消热 面形精度稳定性 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0522005
桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西 桂林 541004
为了进一步抑制装配误差扰动对快速反射镜控制系统输出性能的影响，提升系统的跟踪精度，基于干扰观测原理，提出了一种具有内、外双干扰观测环节的扰动抑制方法。分析了快速反射镜组件装配误差对控制系统精度的影响，建立了不平衡力矩扰动的等效数学模型；利用内环干扰观测环节实现对中高频扰动的抑制，应用外环干扰观测环节补偿内环干扰观测环节的中低频扰动放大作用并提供中低频扰动抑制；分析了提出方法的输入和误差信号传递过程，设计了扰动抑制系统各控制器的控制参数；搭建了虚拟样机仿真测试平台，对控制系统的性能进行了测试。结果显示，加入双干扰观测环节前后，虚拟样机系统的调节时间误差为0.54%，对于15 Hz等效扰动，扰动抑制能力提升了25.23%。理论和实验结果表明，双干扰观测环节的引入可以有效抑制装配误差的扰动。
仪器，测量与计量 快速反射镜 扰动抑制 干扰观测器 装配误差 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512008
1 兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心，甘肃 兰州 730070
2 兰州交通大学聚光太阳热能产业关键技术与装备省部共建协同创新中心，甘肃 兰州 730070
3 甘肃省太阳能光热产业研究院，甘肃 兰州 730070
线性菲涅耳聚光系统采用柱面反射镜可提高聚光能力。本文提出一种柱面反射镜曲率半径的优化计算方法，建立了通用计算模型，详细分析了反射光线横向偏移的变化规律、系统瞬时光学效率和能流均匀性等。研究结果表明，柱面反射镜的最佳曲率半径与其宽度几乎没有关联，只需要考虑其与镜场中心的距离和系统有效工作时太阳横向入射角即可得到最佳值。通用计算模型所得的结果与数值精确计算的结果非常接近，最大偏差为1.26%，平均偏差为0.38%。在考虑柱面反射镜型面误差、跟踪误差和曲率半径误差的情况下，当横向入射角大于45°时，系统瞬时光学效率保持在59.46%以上。在聚焦平面的较小范围（相对距离为0.05~0.05）内，能流密度高且均匀性较好，适合布置光伏电池组件。
光学设计 线性菲涅耳 柱面反射镜 光学性能 能流分布
北京空间机电研究所先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094
离轴三反光学系统多采用长条形反射镜，为尽可能提高反射镜面形精度，其支撑结构形式多为柔性支撑；为了在保证结构力学性能的基础上满足轻量化的需求，支撑亦多采用壳体点阵结构。本文基于尺寸优化技术，建立了长条形反射镜的参数化有限元模型以及双轴圆弧切口柔性铰链支撑的多参数优化模型，分别应用可行方向法及自适应响应面优化算法得到了质量约束下刚度最优的反射镜面板、筋板厚度参数以及刚度约束下镜面面形最优的柔铰支撑几何尺寸参数，并应用参数试验方法对该柔性支撑安装角度及安装轴向位置进行了独立变量的影响分析。对于背板的设计，本文提出了一种基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法，采用贪婪三角化投影算法对点阵结构包络生成的点云进行网格重构，保证了点阵结构模型的连续性与真实性。经过仿真验证，优化参数下重力、温度、强迫位移各工况下反射镜综合面形误差（0.018λ）和装调方向重力下刚体位移（0.007 mm）均达到最优。表明基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法合理可行，可推广应用于类似结构形式的反射镜支撑。
长条形反射镜 柔性支撑 点阵结构 点云 优化算法
1 曲阜师范大学物理工程学院，山东 曲阜273165
2 潍坊先进光电芯片研究院，山东 潍坊 261000
3 中国科学院半导体研究所固态光电信息技术重点实验室，北京 100083
4 潍坊学院物理与电子信息学院，山东 潍坊 261061
为了提高1060 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的性能，本文对大功率1060 nm VCSEL进行了理论模拟和实验研究。计算得到红移速度为0.40 nm/K，据此确定增益和腔模失配量为-20 nm。对比分析了6种不同InGaAs组分和厚度的量子阱，以及3种不同势垒材料的增益特性和输出特性，模拟结果表明，应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱有源区在温度稳定性、阈值电流以及功率方面更有优势。对P型分布式布拉格反射镜（DBR）进行优化设计，优化DBR渐变层厚度和对数，有助于获得更好的输出特性。采用金属有机化学气相沉积生长了InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的VCSEL外延片，并制备了单管和阵列VCSEL，实验数据和理论分析基本吻合。实验测得，288单元VCSEL阵列在4.5 A电流下，连续输出功率为2.62 W，最高电光转换效率为36.8%，5 mm×5 mm VCSEL阵列准连续条件下（脉宽为100 μs，占空比为1%），且在100 A电流下，获得峰值功率为53.4 W。
垂直腔面发射激光器 高功率 应变补偿 分布式布拉格反射镜 效率
为了实现大像面、小投射比、高清画面要求，设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统，采用缩放法获得初始结构，由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系，计算获得了反射镜坐标数据，拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(ModulationTransferFunction，MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为 5.45mm，投射比为 0.4的物方远心系统，在投影距离 720mm时可投射 80inch画面，清晰度为 1080p，视场角为 136°，放大倍率约为 125倍，系统点列图均方根(RootMean Square，RMS)半径小于 750μm，畸变小于 0.2%，相对照度在 96%以上，其 MTF曲线幅值在 0.54lp/mm时均大于 0.3。公差分析表明，系统设计合理，成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头，该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面，有效降低了加工和装配难度。
超短焦投影 光学设计 折反式成像 非球面反射镜 公差分析 ultrashort focal projection optical design catadioptric imaging aspheric mirror tolerance analysis
山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东青岛266590
快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）是高精密光学系统中的关键仪器，基于音圈电机（Voice Coil Actuator，VCA）驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性，导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能，对于该问题，本文提出了一种基于系统辨识与模型降阶的双轴积分增广滑模控制方法。首先，采用基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识方法建立VCA-FSM的精确耦合模型；随后，基于平衡实现与平衡截断，在保证模型精度的前提下对所建立的高阶模型进行降阶；其次，基于降阶模型，采用现代控制理论方法设计积分增广滑模控制器，通过设计状态观测器构造滑模切换函数与控制律，并在控制设计中改进符号函数以消除滑模抖振；最后，基于VCA-FSM伺服控制系统实验平台，开展频域与时域性能测试实验。实验结果表明：本文所提控制方法相较于单轴滑模、PID控制方法，系统的闭环跟踪带宽分别提高了约50.3%，251.3%，扰动抑制带宽分别提高了约39.9%，451.9%，阶跃响应调节时间分别缩短了约29.7%，97.7%，螺旋线跟踪精度分别提高了约48.5%，97.8%，且实现了对存在强耦合特性VCA-FSM的解耦控制。本文所提控制方法充分提高了VCA-FSM的控制性能。
快速反射镜 音圈电机 系统辨识 模型降阶 滑模控制 Fast Steering Mirror（FSM） Voice Coil Actuator（VCA） system identification model reduction sliding mode control 光学 精密工程
2023, 31(24): 3580
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。
半导体激光器 量子级联 太赫兹 分布式布拉格反射镜 单模 光子禁带 semiconductor lasers quantum cascade terahertz distributed Bragg reflector single mode photonic band gap 崔壮壮 1,3,4刘清权 1,2,3谢茂彬 1,3,4王少伟 1,3,4,5,*陆卫 1,2,3,4,**
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
3 上海节能镀膜玻璃工程技术研究中心，上海 200083
4 中国科学院大学，北京 100049
5 南通智能感知研究院，江苏 南通 226000
低维材料嵌入微腔已经广泛应用于纳米激光器和探测器等。为了实现增益材料和光学微腔之间的有效耦合，需要深入研究嵌埋材料对腔共振模式的影响。本文主要讨论了嵌埋材料的厚度、位置、腔层厚度以及分布式布拉格反射镜的对数对腔供着模式的影响。结果表明，腔共振模式随嵌埋材料位置的不同呈现周期性变化并且在λ/2光程周期内存在最大峰位移。最大峰位移随腔层厚度增加而减小，但与嵌埋材料的厚度成正比。分布式布拉格反射镜的对数不影响腔共振模式。这些结果为光学器件的设计和实验现象的分析提供了指导，并且可以应用于不同波长分布式布拉格反射腔结构。
光学腔 共振模式 嵌埋位置 分布式布拉格反射镜 optical cavity resonant mode embedded position distributed Bragg reflector
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
针对某红外搜索系统快速反射镜设计需求，研究基于十字簧片传动结构与音圈致动器的快速反射镜机电联合仿真技术。建立快速反射镜的机电参数化模型，采用有限元分析法构建柔性结构传动刚度模型，同时建立音圈制动器的电磁驱动模型，并进行关键参数的迭代设计确定最优参数；以Matlab/Simulink 为联合仿真平台，建立反射镜动力学仿真接口与电磁驱动仿真接口，结合经典控制模型实现对反射镜机构的联合仿真，并获得系统动态响应的仿真结果。最后通过实验测试验证50 Hz 成像周期下回扫补偿残差与相位滞后，其中实测回扫补偿残差0.0365 mrad，相位滞后2.6 ms，虽然高于仿真分析结果但能够满足工程应用的需求；并对系统的开环频响曲线进行对比，中低频幅值响应误差不超过10%。仿真和实验结果表明，该联合仿真技术对于快速反射镜的设计与优化具有重要的理论指导意义。
快速反射镜 音圈电机 联合仿真 结构分析 fast steering mirror, voice coil motor, co-simulat
