“天琴计划”教育部重点实验室,天琴中心 & 物理与天文学院,天琴前沿科学中心,国家航天局引力波研究中心,中山大学(珠海校区),广东 珠海 519082
Overview: The space gravitational wave detection telescope is one of the core payloads of the gravitational wave detection satellite, simultaneously expanding and contracting the transmitted beam. Optical path stability is one of the core indices for the telescope, closely related to its structural stability. To meet the ultra-high path stability and structural stability requirements posed by the gravitational wave detection mission, it is essential to study the structural deformation measurement of the telescope. Currently, there are still several shortcomings in the research of multi-degree-of-freedom deformation measurement methods for gravitational wave detection telescopes, such as inaccurate selection of measurement points, inability to decouple multi-degree-of-freedom coupling, and unclear identification of error sources in multi-degree-of-freedom measurement. This paper deeply investigates the high-precision measurement of structural deformation of space-borne telescopes designed for space gravitational wave detection. It preliminarily establishes a framework and method system for measuring the structural deformation of space-borne telescopes, theoretically describing the measurement principle of the method. The feasibility of this method applied to space gravitational wave detection is verified through simulation analysis and error decomposition. The paper focuses on resolving the issue of decoupling multiple degrees of freedom, establishing a mathematical model using analytical methods, and conducting preliminary validation using Zemax. Finally, noise analysis of the measurement system is carried out, with experimental testing of the main noise components in the measurement system, validating the correctness of the theoretical noise model proposed in this paper. The experimental results show that near 1 Hz, the displacement noise background of the single-link interferometer is 100 pm/Hz1/2. At 1 mHz in the low-frequency range, the displacement noise background reaches 10 nm/Hz1/2. The noise level of the measurement system below 1 mHz is mainly limited by environmental temperature noise, while above 10 mHz, it is primarily constrained by laser frequency noise, phase acquisition background noise, and vibration noise. During the development phase of the space gravitational wave detection telescope, the research on this measurement method is expected to fulfill the telescope's multi-degree-of-freedom deformation measurement needs. It also provides data feedback for telescope design and offers guidance for the study of the telescope's optical path stability.
空间引力波探测望远镜 形变测量 多自由度 解耦研究 噪声分析 the space gravitational wave detection telescope deformation measurement multi-degree-of-freedom decoupling study noise analysis
暨南大学纳米光子学研究院广东省纳米光学操控重点实验室,广东 广州 511443
超构表面是人工设计的二维平面结构,可为光学器件的小型化和集成化提供新的思路。近年来,随着这一领域的不断发展,基于超构表面光学的各种光场调控机理和功能器件被提出。本文以光场操控的琼斯矩阵自由度为出发点,对近十年来的超构表面光学进展进行归类和综述,总结不同自由度琼斯矩阵的设计方法和相应的应用,并展望多自由度的超构器件研究的发展趋势。
超构表面 琼斯矩阵 多自由度 相位调控 振幅调控 光学学报
2023, 43(16): 1623007
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室,安徽合肥230009
为提高XY工作台对应功能点的空间位置精度,提出了一种六自由度(6-DOF)误差在线测量方法,并建立了相应的误差补偿模型。采用激光干涉原理测量工作台X,Y轴方向的定位误差和Z轴方向的直线度误差,采用激光自准直原理测量工作台绕X,Y,Z轴转动的角度误差,从而实现6-DOF误差的在线测量。分析了6-DOF误差造成工作台对应功能点的空间位置误差,建立了基于阿贝原则和布莱恩原则的误差补偿模型。根据提出的测量方法,研制了一套高精度紧凑型的在位、在线6-DOF测量系统,将其应用于一台微纳米三坐标测量机的工作台上;以SIOS激光干涉仪为参考,对测量系统和误差补偿模型的有效性进行了实验验证,并评定了系统的不确定度。结果表明:经过6-DOF误差测量和补偿后,参考功能点在X,Y,Z向的最大位置误差由1.7 μm,3.4 μm,3 μm分别减小至65 nm,81 nm,109 nm,其扩展不确定度分别为90 nm,98 nm,158 nm(k=2)。该方法和系统可被用于提高XY工作台的精度。
XY工作台 多自由度 补偿模型 阿贝原则 XY stage multi-degree-of-freedom compensation model Abbe principle 光学 精密工程
2023, 31(12): 1761
1 清华大学精密仪器系,北京 100084
2 清华大学精密测试技术及仪器全国重点实验室,北京 100084
3 陆军装备项目管理中心,北京 100072
在空天探索领域,空间引力波探测是当前国际研究热点,核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度,探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2以及~1 nrad/Hz1/2水平。目前,激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段,本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术,概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法,回顾了近三十年国内外相关研究进展,并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后,对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。
测量 空间引力波探测 激光外差干涉 多自由度测量 差分波前传感 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312006
北京交通大学发光与光信息技术教育部重点实验室,北京 100044
仪器是获取信息的主要手段,是信息产业的支撑。快速准确地获得多种信息是测量仪器的一大发展趋势,也是信息时代快速发展的必然要求。激光多自由度同时测量具有测量效率高、多自由度误差参数同时测量等显著优点,克服了传统激光单参数测量获取信息有限、测量效率低下等缺点,成为数控机床误差测量等领域重要的研究方向。本文按照激光单自由度测量方法到多自由度同时测量系统集成的顺序,对目前激光多自由度同时测量方法和系统进行了较全面的介绍,分析了其优缺点,并讨论了激光多自由度未来的发展趋势。
测量 单自由度测量 多自由度同时测量 数控机床误差测量 研究现状与发展趋势 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312012
哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工信部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
对于步进扫描投影光刻机,掩模台和工件台的同步伺服性能将直接影响整机技术指标。掩模台和工件台是典型的六自由度超精密运动台,在耦合动力学、复杂内外部干扰条件下兼顾高动态和超精密运动是其核心控制难题,研究和发展面向集成电路光刻的超精密运动台控制技术对于实现高端光刻机国产化具有重要意义。本文首先阐述高端光刻机对超精密运动台的伺服性能需求以及实现这些需求所面临的技术挑战,然后从解耦控制、反馈控制、前馈控制、协同控制和轨迹生成五个方面回顾光刻机超精密运动台控制相关研究成果与最新进展,并对其现存的问题和发展方向进行评述。
光刻机 多自由度运动台 超精密运动控制 激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922013
1 南京大学固体微结构物理国家重点实验室, 南京大学物理学院, 人工微结构科学与技术协同创新中心, 江苏 南京 210093
2 渥太华大学物理系, 加拿大 渥太华, K1N 6N5
作为光子重要自由度之一,轨道角动量(OAM)在光量子信息研究中占据着重要地位。将其与偏振等光子的其他自由度相结合,可实现多自由度光量子信息处理。此外,由于其具有天然的离散高维属性,故其是开展高维量子信息处理研究的最佳自由度之一。基于自发参量下转换非线性光学过程能够便捷地获得OAM纠缠源。近年来,光子OAM量子纠缠的研究受到了广泛关注,在多自由度、高维和多光子等多个方向都取得了重要进展。然而,该领域尚有诸多悬而未决的关键科学问题亟须深入研究,包括如何实现高效高质的OAM分离,如何实现更高维度的频率转换,如何提升多自由度纠缠源的品质,如何获得更多维度、更多光子的高维纠缠态以及如何构建可行的高维量子门等。从光子OAM最基本的二维操纵着手,综述了单光子OAM量子态调控、双光子及多光子OAM纠缠操纵。围绕多自由度、大角动量和高维等特性,从生成、调控、测量及应用等角度系统讨论了光子OAM量子纠缠。同时,探索了解决本方向关键科学问题的一些可能解决途径。
量子光学 量子信息 光子轨道角动量 自发参量下转换 量子纠缠 多自由度纠缠 高维量子纠缠
中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308
针对激光系统, 研究了一种新型激光扩束系统, 新型扩束系统采用离轴反射式光学系统。扩束设备精度和稳定性要求高, 通过材料的选择、光机结构设计、刚性设计和仿真分析计算, 保证系统精度不超过0.02 mm。扩束设备需要多轴调试, 设计多自由度调节机构, 可以实现三个轴的旋转和三个轴的平移。结果表明, 系统结构设计合理, 满足指标要求。
光机结构 高精度 多自由度 刚性分析 热分析 opto-mechanical structure high precision multi-degree of freedom rigidity analysis thermal analysis