为研究半导体激光器锁频系统的环境适应性,所采用的锁频方案是基于饱和吸收光谱的调制解调技术。分析了三种典型的锁频光路方案:消多普勒锁频(DFL)光路,原子气室端面反射锁频(CRL)光路以及反射镜增反锁频(MRL)光路。这三种方案均采用锁定调节模块进行光放大,通过调制解调技术将激光器锁定在饱和吸收峰上。在锁频基础上,利用声光调制器产生激光冷却原子实验中冷却光所需的激光频率。通过改变温度、振动频率和振动幅度等环境参数,测试了三种激光器锁频光路的频率稳定性,并讨论了每种方案的环境耐受性。实验结果表明,DFL方案的温度耐受性和抗振动干扰是最好的,CRL和MRL方案次之,说明DFL方案更适于复杂工作环境。然而,CRL和MRL方案可简化光路、缩小光路尺寸,便于激光单元的小型化和集成化。

针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求, 开展新型光学系统结构形式设计: 首先, 根据总体方案要求以及稳定平台安装特点, 确定了单镜头的技术方案; 接着, 分析计算了光学系统各项指标参数, 光学系统拉氏不变量达到9.5; 然后, 对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式; 最后, 设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好, 在全色谱段内的Nyquist频率为100 lp/mm, 全视场调制传递函数均优于0.36; 分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50 lp/mm, 全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%, 在均匀温度0~40 ℃范围内, 全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明, 相机静态分辨率达到102 lp/mm; 飞行验证试验结果表明, 相机摄影分辨率达到0.16 m@2 km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。

多谱带滤光片是航天光学遥感相机上的关键器件。其兼具多个谱带滤光及探测器封装的功能, 特征尺寸多, 膜系复杂, 其设计及考核过程相比全色或单谱带滤光片要复杂得多。介绍了多谱带滤光片的基片外形尺寸、滤光窗口尺寸、像元位置标识窗口、封装对准标识等关键特征尺寸的设计及计算方法。分析了滤光片的设计加工误差对滤光片与光敏芯片的封装对准精度、探测器在焦平面上的配准拼接以及相机的光谱响应特性等的影响。并基于现有的航天器环境考核方法提出了一套针对多谱带滤光片的环境考核流程和测试方法。最后给出了某相机多谱带滤光片的设计及考核应用实例。

变形镜支撑结构自身性能的优劣将直接影响变形镜的像差校正能力。给出一种空间相机用变形镜的结构, 结合材料属性与加工工艺, 分析了不同结构形式支撑底座的特点, 发现采用碳纤维增强复合材料(CFRP)制作的实体式结构明显优于选用钛合金制作的筋板式结构, 指出支撑底座材料的比刚度以及支撑底座与反射镜材料之间的线胀系数差别分别是影响变形镜自重变形和热变形的主要因素。比较了不同的支撑方案, 发现采用背部三点支撑可以改善周边三点支撑时由重力因素导致的反射面边缘塌陷现象, 在z向重力下面形RMS值由15.38 nm降至4.17 nm, 降低了73%, 且热变形更加均匀, 4 ℃温升时的RMS值由3.68 nm降至3.22 nm, 降低了12.5%, 一阶频率也由1 513 Hz提高至1 982 Hz。这说明该变形镜结构的动、静态刚度及热稳定性均满足空间相机的应用要求。

硫化锌是重要的大尺寸红外光学窗口材料之一。根据硫化锌材料的工艺特性,采用了“减反过渡层+类金刚石膜”的复合结构,对膜系的光学性能进行了优化设计。采用离子束辅助蒸发和化学气相沉积的复合工艺在大面积的硫化锌基底上沉积了红外保护膜。分别采用红外光谱仪及纳米压入仪测试了样品的红外透过率及硬度。结果表明:该薄膜样品硬度较高,且在中波及长波红外波段均具有较高的透过率。大面积硫化锌窗口红外保护膜样品通过了GJB2485规定的环境适应性测试。

双折射效应、Shupe效应等与温度相关的效应和部分结构较脆弱的光学器件等因素,使某微型光纤陀螺不能在宽温度范围和高冲击环境条件下正常工作。通过有限元热仿真分析和隔冲理论计算进行结构优化设计保证某微型光纤陀螺在-45~65 ℃的温度范围和3 000 g的半正弦冲击下正常工作。实验证明该优化设计方案在确保光纤陀螺测量精度指标的同时,大幅提高了该型号光纤陀螺的环境适应能力。

为定量分析大尺寸望远镜自身重力对主镜镜面变形造成的影响，采用有限元的手段以非线性分析方法的 ABAQUS软件为研究工具对某大尺寸望远镜主镜组件进行了精确有限元分析。在分析过程中将罚函数的摩擦形式引入至主镜组件的摩擦接触中，分别对组件的球头接触、芯轴接触进行了建模，完成了对于组件 Y向与 Z向的各部分应变分析。分析表明该主镜组件因自身重力作用造成的面形变化非常小， RMS方面的 Y向与 Z向面形变形分别为 16 nm和 13 nm，而主镜绕 X轴倾斜量在 Y向和 Z向分别为 0.5″和 0.02″，完全满足使用条件。该分析为该望远镜的后续研制提供了参考。

为适应空间光学遥感技术的快速发展及对空间光学遥感器需求的不断增长，在追求高空间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率性能及轻量化的同时，必须考虑空间光学遥感器对恶劣的发射运载力学环境及在轨真空热环境的适应性问题。本文概述了国内外空间光学遥感器环境适应性设计的现状与进展，阐述了空间环境因素对空间光学遥感器性能的影响，尤其是在力学及真空热环境作用下的环境效应，探讨了环境效应的作用机理。在对任务需求和环境效应分析的基础上，提出了空间光学遥感器环境适应性设计的要求、准则以及适应性设计要点。提出在空间光学遥感器设计的早期设计阶段，应统筹考虑对未来可能遇到的各种环境的适应性问题，并开展以质量特性、动力学特性及热光学特性为主的适应性设计分析迭代。在实施阶段，需进行相应的特征试验以及环境模拟试验，实地考核空间光学遥感器的力学及热光学特性以及在各种模拟环境条件下功能和性能的有效性和正确性，确保对未来各种恶劣环境条件的适应性。本文对设计分析迭代过程中以及试验过程中对环境适应性的评价方法及其相关的地面试验内容和方法也进行了论述。

在Si、Ge红外窗口上利用离子辅助电子束蒸发技术和RF-PECVD技术制备了具有高透过率的AR/DLC保护薄膜，并与单层DLC保护薄膜的光学性能进行了对比。所制备的高透过率保护薄膜达到如下性能：在3~5 μm波段，Si基底上一面镀高效红外增透膜一面镀AR/DLC增强型保护薄膜的平均透过率达到约96%,较之镀DLC膜平均透过率提高了约4%。在8~12 μm波段，Ge基底上一面镀高效红外增透膜一面镀AR/DLC增强型保护薄膜的平均透过率达到约95%,较之镀DLC膜平均透过率提高了约5%。有关薄膜样品都通过了相应的环境试验。