采用模式控制对能动光学系统的有效运行是十分重要的。针对 1.2 m能动镜, 对常见的泽尼克模式、主镜的自由振荡模式和本征模式进行了分析, 其中本征模借鉴于薄膜反射镜的模式分析, 但尚未见到用于能动主镜的模式控制, 从能动镜对各模式的拟合精度以及选用的模式数量与能动镜系统的校正能力的关系考虑, 选择离焦、三阶彗差和 9阶本征模作为 1.2 m能动光学系统的校正模式, 其中离焦和三阶彗差由次镜的平移和倾斜进行校正, 9阶本征模由主镜背面的力驱动器阵列进行校正。

埋入式光纤 Bragg光栅(FBG)可以监测结构内部的应力、温度等其它参数。针对镀镍保护的 FBG经钎焊方法横向埋入矩形截面的金属梁内部的情况, 本文将影响 FBG中心波长变化的因素归纳成两大因素——应力传递系数和位置函数, 并深入分析了这两个因素对埋入式 FBG的径向应力传感性能的影响。经研究得出, 对于某一特定的连接层, 尽量选取弹性模量大的保护层, 适当减小保护层厚度有助于提高埋入式 FBG应力传感的灵敏度。对于一定结构形式的梁, 在应力传递系数一定的情况下, 位置函数越大, 埋入式 FBG应力传感的灵敏度越大。埋入过程会造成位置误差。分析得出, 当 FBG实际埋入位置较指定位置偏右时, 位置函数随着倾斜角度的增大而变大; 当实际埋入位置较指定位置偏左时, 位置函数随着倾斜角度的增大而变小。

本文采用堆拉法自主研制了一种新型的柚子型光子晶体光纤, 并详细分析了光子晶体光纤的制作工艺。在预制棒制作方面, 设计了独特的拼装工具辅助预制棒的拼装, 提高了预制棒的一致性。在光纤拉制方面, 设计了精度较高的微压控制系统来控制毛细管内压力的大小。经多次试验表明: 当温度在 1 850~1 900℃、压力在 1 500~ 2 000 Pa时, 可以得到结构相对均匀、损耗较小、强度较好的柚子型光子晶体光纤。对光纤性能进行了测试分析, 光纤包层直径为 130 μm, 涂敷层直径为 250 μm, 在 1 550 nm处模场直径为 11.27 μm, 光纤损耗为 3.5 dB/km, 测试结果表明, 研制的柚子型光子晶体光纤的几何参数和光学参数已达到工程化应用指标, 为进一步开发高灵敏度的光纤光栅奠定了理论基础。

在分析移动平均值(MA)校正机理的基础上, 本文分别利用补偿量和补偿量的移动平均值作为校正量对激光光束随机偏差进行校正。以光束传递系统中利用快速反射镜校正脉冲激光器自身漂移的过程为例, 介绍了利用移动平均值(MA)进行闭环控制的稳定光束的算法, 给出了两种校正量的仿真结果, 并对比加载地面抖动前后的校正效果。结果表明, 基于此原理的算法能很好的校正激光光束随机漂移, 最优处可将 MA值降至校正前的 1/15倍, 并且可以实现对光束随机漂移的实时控制, 具有实用性。其应用关键在于构造合适的调整量公式。

文章针对激光照射下光导型碲镉汞光电探测器的响应特性展开了研究, 主要讨论了强激光照射下辐照时间、波长及光功率密度对探测器响应特性的影响。从传统载流子的漂移扩散模型出发, 在考虑温度的变化下推导出描述半导体载流子的动态方程, 并通过数值模拟, 给出了理论上的激光辐照主要参数对探测器电阻及输出电压的影响。结果表明: 半导体探测器材料的热效应随辐照时间的增加而明显, 随功率密度的增加而明显, 但与波长的变化没有太大联系; 输出电压随功率密度的增加而增加最终趋于饱和。

针对用于目标定位的复眼雏形.簇眼, 提出一种标定多通道成像畸变的方案。该方法根据目标定位和多通道同时标定的数学模型, 首先, 通过引入分光器, 调整目标平面水平移动轴和目标平面的垂直性以及目标平面和簇眼平面之间的平行性; 然后, 使用消逝点、目标共像点的方法求得初始点和初始距离后, 得到目标平面上每一点的空间三维坐标; 最后, 求出目标阵列与对应通道的入射角度, 提取出对应的目标像点重心后, 建立各通道入射角度和像点重心之间的对应关系。实验结果显示此方案能满足簇眼成像非线性标定的要求, 初步标定后的系统目标角度分辨率可达 0.02°, 距离定位精度可以控制在 3%以内。

为了减少非等晕性对望远成像系统性能的影响, 扩大系统的有效视场, 对宽视场望远成像系统的非等晕性进行了研究。首先采用多层相位屏法实现了非等晕成像的数值模拟, 然后利用数值模拟系统计算了典型大气条件下(大气相干长度 r0 = 0.1 m)轴中心点与偏离轴 θ角度目标点两者间的畸变波前均方差值, 分析了系统口径 D分别为 1 m、2 m和 4 m 对应畸变波前均方差值随偏离角度 θ的变化情况。分析结果表明, 畸变波前有倾斜项时, 系统口径 D越大, 畸变波前均方差值随角度 θ的增加上升得越慢, 非等晕性的影响越小; 去掉倾斜畸变时, 系统口径 D越大, 畸变波前均方差值随角度 θ的增加上升得越快, 非等晕性的影响越严重。倾斜非等晕性随系统口径的增加而减少, 对大口径的望远成像系统(D≥5 m)主要考虑高阶波前畸变对成像的影响。

本文提出了一个用来解释真空中绝缘体自发抑制闪络现象的模型, 从而使以前被忽略的由纳秒脉冲电压引起的自发磁场被加以考虑, 并被用来解释真空中绝缘体的闪络电压随脉冲持续时间的变化而发生变化的现象。本文列举了若干组真空绝缘体闪络的实验数据, 并将其与应用模型计算得出的理论值进行比较, 进而详细分析了理论值与实验值的差距。这个模型得出的结论可以用于提高光电导半导体开关(PCSS)的闪络电压, 这将对高压设备的发展起到重要作用。

本文提出一种新的利用图的谱对应绝对值特征向量的非负矩阵分解图像配准方法。首先利用图像特征构造了无向权图的非负权矩阵, 通过非负矩阵分解得到了包含原始图像全部特征的特征基图像; 然后将非负权矩阵谱对应绝对值特征向量作为非负矩阵分解的初始值进行迭代, 既能反映图的结构特征信息, 又能提高图像的匹配率; 最后在特征基向量空间找到了两图的正确特征对应关系。合成图像和真实图像实验结果表明了本文图像配准方法的可行性。

在聚焦形貌恢复技术中, 为获取更好的恢复精度, 提出了一种高精度的聚焦形貌恢复算法, 该方法用零相位滤波器对窗口序列图像的评价函数值进行滤波, 在消除干扰的同时, 保持各空间数据点的位置不变。设计了基于切比雪夫Ⅱ滤波器的零相位滤波器; 利用二次曲线的最小二乘拟合峰值位置作为窗口序列的聚焦位置, 进一步提高了峰值定位精度; 采用三次曲面对各个窗口序列的拟合峰值位置进行插值, 进而得到被测物的全部深度信息。实验表明, 本文方法的恢复平滑性和精度优于传统方法。

针对空间遥感望远镜对大视场和高分辨率的需求, 本文提出了像方指向技术。首先设计了透射式大尺寸像面光学系统; 接着, 根据像面尺寸的要求, 提出了一种基于像方指向的探测器机械交错拼接法; 然后, 分析了像方指向系统的工作原理及关键技术。最后, 进行了实验成像并分析了系统的误差。实验结果表明: 像方指向系统的指向精度需优于 1.6 mrad, 探测器焦平面的平面度为 20 μm, 采用该方法可以获取完整的大视场像面图像信息。

为了有效提取星图中星点小目标, 实现提高星图识别效率及姿态计算的精度, 本文在分析星点目标和小目标像共性的基础上, 采用了一种形态学星点提取方法。该方法根据数学形态学运算的特点, 得到估计的星图背景, 通过灰度形态学 Top-Hat变换对消背景, 得到含有目标和高频噪声的图像, 本文采用自适应阈值法确定实际图像的阈值。实验结果表明此方法能很好的滤除背景噪声, 有助于选取阈值及确定目标亮度, 确定的目标亮度比传统方法得到亮度效果要好, 且质心坐标与真值相差不超过 0.3个像素单元。

本文在微机电(MEMS)技术上设计并加工出了一种新型基于 SOI工艺的谐振式微扫描镜, 设计了 MEMS扫描镜机电特性测量系统, 对 MEMS扫描镜的工作原理、机电特性、系统测量方法、系统方案实现和系统精度评定等方面进行了研究。首先, 介绍了 MEMS扫描镜的工作原理, 对其结构设计及机电特性进行了研究。其次, 研究了 MEMS扫描镜的频率、幅值测量方法, 根据其测量原理制定了系统测量方案, 并对系统的硬件电路及软件程序进行了设计。最后, 为验证测量系统的精度及其可靠性, 采用激光多普勒(LDV)及激光三角法分别对 MEMS扫描镜的幅值、频率进行对比测试。实验结果表明: 该测量系统与两种测试方法的测量结果基本一致, 基本满足 MEMS扫描镜的机电特性测量稳定可靠、精度高、实时性强等要求。本文的研究, 对 MEMS扫描镜的闭环控制驱动及在微型光谱仪中的应用具有很大的参考价值。

光刻设备的分辨率越来越高, 以满足集成电路特征尺寸不断缩小的要求。根据瑞利判据, 可以通过缩小曝光波长和工艺因子、增大数值孔径来提升光学投影光刻的分辨率。随着数值孔径的增加, 光的偏振特性对成像的影响越来越大。通过分析偏振光的成像特性, 控制照明的偏振方向, 可以延伸光刻的分辨率。运用光的干涉原理分析了偏振光影响成像质量的原因, 结合阿贝成像原理与偏振的矢量特性对偏振光的成像进行了仿真, 比较了不同偏振照明下的成像对比度及焦深。结果表明, 对图形选取相应的偏振照明, 可以改善成像质量。

基于非均匀电场可产生静电排斥力的原理, 设计制造了单元尺寸为 300 μm的 MEMS静电排斥型离面驱动器。此驱动器不受静电吸合效应的限制, 行程较传统静电吸引型驱动器有显著提高。利用表面硅工艺完成了该驱动器的加工。为研究静电排斥型驱动器的动态响应特性, 建立了该驱动器的等效模型并利用数值计算方法分析了驱动器的压膜阻尼特性和幅频特性。采用白光干涉仪对微驱动器进行了静态和动态测试, 测试结果表明, 所设计的 MEMS静电排斥驱动器在 100 V的电压下实现了 2.1 μm的驱动位移, 工作带宽为 2 kHz, 具有较快的响应速度。

粗糙表面散射可分为镜向散射和非镜向散射, 镜向散射光强的分析不仅具有理论上的简洁性, 而且能够给出粗糙表面散射的一些重要特性。论文根据相干散射和傅里叶光学理论, 对粗糙表面的镜向散射光场进行了理论分析和推导, 结果表明: 镜向散射光场的主要特征由粗糙表面高度分布的傅里叶变换和入射光场的傅里叶变换共同决定。对于均匀平行光照射高斯表面情形, 镜向散射光强是有效粗糙度的高斯函数, 镜向散射光强在焦平面的分布为 sinc平方函数。

使用高精度数字式应力仪测量 KDP晶体的应力, 给出整体应力分布。通过沿光轴方向测量, 消除晶体 o光和 e光的双折射效应的影响, 准确得到晶体材料自身的应力双折射分布。实验结果表明, 测量重复性优于 0.1 nm/cm。对 KDP晶体材料应力的高精度数字式检测对于加工和使用具有重要的指导意义。

本文在总结国内外盲元检测和补偿算法的基础上, 按照盲元表现形式的不同将其分为死像元、暗电流像元、噪声像元和闪变像元。并利用红外焦平面, 对不同参考辐射的响应数据采用了不同的检测算法进行检测。与传统算法比较, 该算法考虑了暗电流像元和闪变像元, 且分类检测分设标准, 检测精度高。利用相邻像元的相关性, 提出了一种基于边缘检测和盲元块判断的补偿算法, 能较好的保留边缘和补偿盲元块。

在随机并行梯度下降(SPGD)自适应光学(AO)中, SPGD算法通过直接对系统的性能评价函数进行优化从而校正波前像差, 有可能实现实时校正, 具有很强的应用潜力。 SPGD算法的收敛速度与控制单元的数目、性能评价函数的选取、增益系数及扰动幅度的取值等密切相关。通过仿真的方法, 研究了控制单元数对 SPGD AO系统在静态波前校正中收敛速度的影响, 得出了收敛所需迭代步数与控制单元数成线性关系的结论; 仿真了 SPGD AO系统在不同迭代速率或不同风速下的动态波前校正, 为系统控制单元数的选取提供了参考。

近几年紫外探测技术在电晕放电检测以及局部放电故障诊断方面的作用越来越突出。然而电晕放电过程中的电光特性, 以及紫外辐射强度与电晕电流强度之间的量化关系仍然是一个值得深入研究的问题。在不同交流电压和湿度下, 通过对电晕电流强度和紫外探测器响应的光脉冲数的测量, 发现电晕电流强度和光脉冲数随极间电压的升高而显著升高, 并且随着相对湿度的增加呈大致减小的趋势。在此基础上, 通过电光传递函数研究了电晕电流强度和紫外光脉冲数之间的量化关系。结果表明, 在不同电压和湿度下, 传递函数变化并不大, 保持在2.45～3.53之间, 因此可以用紫外光脉冲数来表征电晕电流强度等级。这对于直接从光学角度定量表征放电等级, 提高放电故障光学测量的准确率具有重要意义。

针对干涉仪高精度检测的需求, 本文提出了旋转法标定干涉仪系统误差, 实现绝对检测, 从而提高检测精度。该方法根据 Zernike多项式的性质, 可以通过 N次平分旋转和一次旋转法两种方法实现。本文对这两种方法分别做了详细的理论推导, 并且给出具体实验结果与误差分析。实验结果表明, 两种方法的测量结果基本一致, 差值的 PV值为 0.006 λ, RMS值为 0.001 λ。误差分析结果表明, 一次旋转法的旋转误差小于 N次平分法, 因此一次旋转法是一种精度更高的方法。

在分析软磨料砂轮化学机械磨削(CMG)技术的基础上, 开发研制了主料分别为 Fe2O3和 MgO的杯型软磨料砂轮。利用开发的两种软磨料砂轮对 Ф150 mm的单晶硅光学表面进行纳米级精度的对比磨削加工, 优选出最佳磨削参数, 将 CMG的结果与金刚石砂轮磨削结果、化学机械抛光(CMP)结果进行对比研究, 并对加工后工件的表面与亚表面损伤进行检测分析。结果表明, MgO软磨料砂轮具有十分稳定的磨削性能, 能够获得较好的形状精度和表面亚表面质量, 采用三维表面轮廓仪和原子力显微镜测量 CMG后的工件表面分别得到 0.568 nm RMS和0.554 nm Rq的表面粗糙度, 达到了 CMP的加工效果, 角度抛光法显示 CMG后的工件亚表面损伤深度接近 0。

单点金刚石切削是目前理想的 KDP晶体加工方法。本项目立足自主技术研发, 通过深入研究 KDP晶体的单点金刚石切削机理, 突破了超精密空气静压主轴和导轨设计及制造关键技术, 解决了气浮主轴和工作台高精度恒速直驱问题, 研制成功了超精密单点金刚石飞切机床 DFC-600A。通过工艺实验表明, 该机床能够实现大口径 KDP晶体、铝合金及聚碳酸酯等光学元件的超精密加工的需求。

针对激光陀螺光学腔体这种复杂结构的光学零件, 采用传统的光学抛光的方法无法对其凹槽、孔道进行抛光的问题, 提出了一种采用化学溶液对玻璃进行侵蚀的化学抛光技术。本文分析了微晶玻璃的组成及化学抛光的机理, 制备了适合的化学抛光溶液, 设计了抛光技术方案、工艺流程及方法。对化学抛光后的光学表面进行了测试、分析, 结果表明: 采用 NH4HF2、H2O、添加剂组成的化抛溶液, 抛光后能够得到光滑、透明玻璃表面, 抛光表面的粗糙度可达 0.2 ~0.3 μm, 可见光透过率 88%~90%, 化学抛光去除量为 0~100 μm, 本研究实现了复杂结构的光学零件的 “确定性”化学抛光。

锗(Ge)薄膜是中长波红外区最常用的光学薄膜之一, 高的聚集密度对于提升光谱稳定性和光学薄膜元件的品质非常重要。选用纯度为 99.99%的 Ge材料, 在 5×10-4 Pa左右的真空压力下用电子束蒸发沉积, 石英晶振仪将沉积速率控制在 0.8~1.0 nm/s范围, 宝石片基片上的膜层厚度约为 0.8~1.0 μm, 在不同沉积温度下制备样品。用傅里叶红外光谱仪测量吸潮前后薄膜的光谱曲线, 根据波长漂移理论, 计算出薄膜的聚集密度。结果表明: 聚集密度随沉积温度的升高而增加, 从常温沉积的约 0.74上升到 250℃沉积的0.99以上。

基于压电驱动器的 Bimorph变形镜是 10.6 μm系统的一个重要元件。为了镀制薄膜, 本文首先利用有限元软件对两种镀膜夹持方式与沉积温度进行了计算, 对热应力产生的热变形进行了分析, 选择了合适的镀膜夹持方式。为了预测 bimorph变形镜受激光辐照后的温升, 对单晶硅与石英玻璃制作的 bimorph变形镜有限元模型进行了计算与分析。最后, 利用光度计对镀制的薄膜进行了反射率测量。试验结果显示反射率测量值大于 99.5%, 满足实际系统的需要。

本文利用射频磁控溅射的方法首次制备了厚度小于 200 nm的低电阻率高透过率的镓掺杂 ZnO(GZO)薄膜。研究了溅射功率的改变对 GZO薄膜光电性能的影响。利用扫描电镜对薄膜的微观结构进行了观察, 利用四探针测试仪、紫外 -可见分光光度计对 GZO薄膜的光电性能进行了测试。实验结果表明: 薄膜电阻率随溅射功率增大而迅速下降, 从 46.6×10-2.·cm降低到 2.5×10-2.·cm, 随着溅射功率的增大, 薄膜平均透过率在 300～350 nm范围内有所下降, 其吸收宽度增加, 但在 350～380 nm范围内增大, 薄膜平均透过率均大于 89%, 计算显示 GZO薄膜的禁带宽度随溅射功率的增加先增大后降低。电子形貌显示薄膜的微观结构由明显的粒子分离结构转变为连续分布状态。