中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川绵阳621900
全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一，其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素，建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型，揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律；提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法，建立基于小工具的子口径修正方法，实现了抛光盘形状误差的在位定量修正；提出抛光盘表面钝化状态的监测方法，研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明：抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征，采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑；通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差，可显著提升元件的面形精度；随着抛光盘表面的逐渐钝化，元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100 mm平面元件的面形PV值优于λ/6（λ=632.8 nm），提升了元件的面形控制效率和精度。
光学加工 全口径环形抛光 面形误差 影响规律 控制方法 optical fabrication full-aperture continuous polishing surface figure influencing principle control method
北京工业大学信息学部光电子技术教育部重点实验室，北京 100124
半导体激光器作为一种理想的激光光源，具有广阔的发展前景。在激光雷达、光泵浦、光纤耦合等领域，对半导体激光器的要求除大功率以外，还需具有高光束质量。由于大功率半导体激光器自身的结构特点，侧向易出现多模态光束，严重影响侧向光束质量。因此对大功率半导体激光器侧向模式进行控制，改善侧向光束质量，已成为行业内的研究热点。从3个部分展开：锥形激光器、宽脊波导半导体激光器光束质量控制、半导体激光器散热封装结构，分类介绍了当前国内外在控制侧向光束质量方面具有代表性的研究成果与进展。
激光器 半导体激光器 侧向光束质量 侧模控制 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2100002
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
3 中国人民解放军96035部队，吉林 吉林 132101
机载激光雷达是实现远距离大气精准监测的重要手段，CO2激光器工作谱段与部分大气污染物和化学物质吸收谱一致，是大气监测激光雷达的重要光源。面向机载要求，在控制体积重量的条件下实现−40 °C~55 °C宽温域工作是机载CO2激光器温控系统的设计难点。因此，本文提出一种以激光器性能和环境温度为设计输入，半导体热电制冷与强制风冷相结合的闭环温控方法。根据激光器、半导体热电制冷和强制风冷等的结构与传热特性，建立温控方法的有限元模型，基于此模型对激光器温控性能进行研究。对于55 °C高温环境，温控系统工作25 min后，激光器温度控制在40 °C；对于−40 °C低温环境，温控系统在工作20 min后，激光器温度控制在25 °C，满足激光器正常工作要求。根据激光器及建立的温控方法，开展高低温环境下激光器工作能力实验研究，采集实验过程中的激光器温度数据，测量高低温条件下激光输出能力。实验结果表明：实测激光器温度与有限元仿真温度数据基本吻合，两者误差小于10%；采用所提出的温控方法，激光器在高低温条件下可以正常工作，输出功率与室温条件下一致。
CO2激光器 宽温域 半导体热电制冷 散热结构 温控方法 CO2 laser wide temperature range thermo-electric cooler heat dissipation structure temperature control method
1 云南勐绿高速公路投资开发有限公司，普洱 665000
2 云南交投集团投资有限公司，昆明 650100
3 云南交发公路工程有限公司，昆明 650041
4 中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071
5 中铁开发投资集团有限公司，昆明 650500
6 武汉科技大学，武汉 430081
无中墙连拱隧道作为一种新的隧道形式由于其两拱相连，间距过小，导致后行洞爆破施工时对先行洞支护结构及围岩易产生不利影响，需要对爆破进行监测及安全控制。以云南曼腊公路隧道为依托，通过现场实测数据与数值模拟结果相结合，对后行洞爆破开挖进行分析研究。在后行洞爆破施工过程中对先行洞洞壁振动速度进行监测，得到该工程地质条件下后行洞爆破时先行洞洞壁振动速度的传播和衰减规律。建立数值模型，模拟连拱隧道后行洞爆破开挖的施工过程，对模型计算得到的振动速度传播的衰减规律与现场实测数据进行比对，确保离散元模型的可靠性与准确性。对模型中后行洞爆破开挖对先行洞衬砌变形和围岩损伤进行分析，得到衬砌支护结构和围岩的稳定性。综合振动传播规律和数值模拟结果，在确保支护结构和围岩安全的前提下提出针对该隧道的最大段药量，在该工程条件下，建议后行洞爆破时最大段药量不超过15 kg。结合最大段药量和振动衰减规律确定最大允许振动速度，于爆破工作面同一平面的先行洞迎爆侧中墙处振动速度不超过22 cm/s。在后续施工中该安全控制方法可靠有效，可为类似连拱隧道爆破开挖工程提供参考。
连拱隧道 振动监测 振动衰减规律 离散元 衬砌变形 围岩损伤 安全控制方法 double arch tunnel vibration monitoring vibration attenuation law discrete element model deformation of tunnel lining damage of surrounding rock safety control method
提出了一种用于生产浮法玻璃的过渡辊台与退火窑传动系统以及控制方法,通过设置冗余控制器和互为备用的传动电机等,构建了具备容错特性的传动系统,并根据此硬件基础开发了一种基于冗余容错策略的控制方法。该方法包括驱动控制层、冗余切换层和速度判断层3层控制架构,确保了过渡辊台传动和退火窑传动速度匹配良好。设计了冗余容错的控制流程,通过对故障信息的判断,实现了主用与备用传动自动无扰切换。该传动系统及控制方法提高了过渡辊台与退火窑传动系统的鲁棒性,保证了高端精密浮法玻璃的光学性能,有效提升了产品质量。
传动系统 冗余容错 过渡辊台 退火窑 控制方法 drive system redundant fault-tolerant dross box lehr control method
1 西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055
2 西部绿色建筑国家重点实验室，陕西 西安 710055
为了营造一个健康舒适节能的视觉显示终端（VDT）作业光环境，提出基于节律因子和群智能算法的动态照明调控方法。首先根据VDT作业空间的作业情况和补偿关系建立照明模型；再结合光照需求、人工光源和自然光源之间的补偿关系和节律因子，建立动态光照调控模型；之后提出结合粒子群算法和萤火虫算法优势的混合算法，并引入精英粒子思想对混合算法进行改进；将某时段的照明需求、自然光源补偿量和作业区分布情况作为照明优化模型的输入，并利用改进算法求解人工光源的光通量。将改进算法与其他算法进行对比实验，改进算法的寻优能力和稳定性明显优于其他相关算法；实验证明基于动态调控方法优化的VDT作业空间光环境，视觉效果更好，并具备较大的节能潜力。
光学设计与制造 视觉显示终端作业 节律因子 照明 动态调控方法 混合粒子群萤火虫算法 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1322001
1 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室, 广西 桂林 541004
2 成都华微电子科技有限公司, 成都 610041
设计了一种适用于40 Ω~100 Ω内调节的高精度片内电阻校准电路,该电路可精确调整因工艺波动产生变化的片内电阻阻值。片内电阻校准电路采用模数混合控制方法,即以片外电阻为基准,采用高精度回滞比较器比较片内和片外电阻转换的电压值,采用自适应控制电路精确调整电阻阵列开关,使得片内电阻的阻值与片外基准电阻的阻值相等。电路基于40 nm CMOS工艺进行设计,仿真结果表明,比较器的电压比较阈值最小为2 mV,电路实现40 Ω~100 Ω内电阻阻值可调节,校准误差小于2%。
高精度比较器 片内电阻校准 自适应控制方法 high precision comparator on-chip resistance calibration adaptive control method
北京工业大学信息学部，光电子技术教育部重点实验室，北京 100124
垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为理想的激光光源，具有广阔的发展前景。在光纤通信、光互连以及激光打印等应用领域中，大多要求VCSEL工作在基横模状态，而由于VCSEL自身的结构特点，易于激射出多横模，因此对VCSEL 横向模式的限制成为了研究热点。本文综述了VCSEL横模控制方法的研究报道，分类分析了光子晶体、表面浮雕、反波导、扩展谐振腔以及高对比度光栅结构等横模控制方法的研究进展。
激光器 垂直腔面发射激光器 基横模 控制方法 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0700008
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
在单位圆的同心孔径圆域内，某些特定Zernike模式具有相关关系，其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后，一定的同心孔径内的像差会相互抵消，波面变得更加平坦，这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前，用自适应光学系统进行校正得到残差，然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解，通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中，低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系，两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化，并且在一定的系数组合方式下，这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果，提出一种控制方法，该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型，使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配，从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS)，最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真，结果表明：该方法相比于传统闭环共轭式校正方法，在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像，有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。
共轭组合模型 自适应光学系统 控制方法 conjugate combination model adaptive optical system control method 红外与激光工程
2020, 49(9): 20190534
使用毫秒脉冲激光精密打孔系统,在厚度为2 mm的镍基高温合金GH4037上进行通孔加工。针对传统控制变量法中通孔加工脉冲个数设定值过盈会造成诸多不利影响等问题,利用穿透检测技术建立脉冲个数阈值的数学模型,并使用基于此模型得到的改进型控制变量法研究了激光的离焦量、扩束比和脉冲重复频率对出入口孔径、锥度和打孔效率的影响。研究表明,当离焦量为-2~0 mm、扩束比为2~4、重复频率为45~85 Hz、辅助气体为氧气时能够得到较高的打孔效率,与传统控制变量法相比,打孔效率最高可提升89.09%。
激光光学 脉冲激光 冲击打孔 穿透检测 改进型控制变量法 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 191403
