摘要：为了满足某同轴四反红外光学系统中主四双面共体反射镜的性能要求,需要镜体在高轻量化率的同时具有更高的刚度,保持两个镜面面形稳定。该文采用拓扑优化的方法,以刚度最大为优化目标,约束设计域体积分数的方式对双面共体反射镜初始模型进行优化。优化结果表明,主镜面与四镜面通过以光轴为中心呈辐射形排列的筋板连接时刚度较高;通过自由尺寸优化获得主、四镜面和筋板的最佳尺寸参数;参考优化结果设计主、四共体反射镜,最终方案轻量化率达到82.4%。对主四反射镜模态及1g重力对面形RMS的影响进行分析,求得一阶频率达到417 Hz;1g重力作用下反射镜面形变化最大为λ/22(λ=632.8 nm)。分析结果表明,优化后的镜体刚度足够,且具有较好的抵抗重力变形能力。按照优化后的设计方案进行反射镜的加工和测试,主、四镜面形RMS实测结果均约λ/7,满足红外光学系统的性能要求,证明了本文优化设计方法的有效性,为双面共体反射镜的设计提供一定的借鉴作用。

摘要：分视场成像的中波红外凝视成像系统为解决红外光学系统很难同时满足大视场、高分辨率的问题,将多个子视场分时成像于同一个探测器中,然而目前该系统还存在着无法实现无缝拼接和液晶快门阵列结构复杂的缺点。本文在此基础上提出了一种新的基于液晶光栅的大视场中波红外凝视成像系统设计。通过在一次像面处加入矩形视场光阑并将其后移,使原有的0.28°的视场缺失减小至0°,实现图像的无缝拼接。快门阵列采用双光栅快门结构,使其无需复杂的位置关系,并将液晶快门阵列放置于平行光路中,可消除其所引入的色差与偏振带来的主光线间纵向位移影响。采用所提出的方法,设计出了F数为3.25,焦距为130 mm,波长范围为4.25~4.75μm,全视场对角线为10.8°的红外凝视成像系统,其各子视场单元MTF均为0.3@30 lp/mm以上。最终通过仿真结果表明,该系统具有分视场成像的功能,且成像质量良好。

摘要：随着光学系统性能的要求越来越高,非球面、自由曲面等复杂光学曲面能够提升系统的成像性能,因此提升复杂光学曲面的检测精度极为重要。干涉检测是测量复杂光学曲面的重要手段,其中计算全息检测法(Computer Generated Hologram,CGH)作为干涉检测中的一种,因其精度高和设计自由度大等优点得到了广泛的应用。但是在CGH检测复杂曲面的过程中存在的各类误差会影响波前检测的精度。文中首先介绍了计算全息法的检测精度现状,其次归纳总结了造成计算全息法误差的主要因素。分别介绍了不同误差的产生原理、影响效果、相对应标定补偿方法及适用情景和优缺点;并介绍了基于CGH占空比与线条位置误差的调研现状分析以及现有的研究方法;最后对计算全息法检测的精度溯源和精度提升研究趋势进行了展望。

摘要：基于液晶的动态可调偏振转换器具有大调制幅度、低功耗的优势,在片上集成系统具有重要的研究意义。然而现有的液晶偏振转换器存在传输损耗大、液晶分子难取向的问题。为此,本文提出了一种基于液晶包层平板光波导的偏振转换器。首先基于液晶各向异性与4层波导理论,构建了满足液晶包层平板光波导物理特性的偏振转换分析模型,厘清偏振转换发生的内在机理为液晶分子场致转动引起的波导内模式耦合。而后通过精确求解耦合状态下波导模式的传播常数和光场分布,提出一种适合于液晶包层平板光波导的偏振转换分析方法,总结出偏振转换效率及最小转换长度的理论公式,并掌握了模式耦合对偏振转换效率的影响规律。最后综合优化各层波导参数得到了一组可实现高偏振转换效率的器件参数,分析了芯层厚度、取向层厚度和电极长度偏差对转换效率的影响。结果表明,本文设计的液晶包层平板光波导偏振转换器可在0.2 V的驱动电压变化下实现转换效率在0%~99.98%的连续可调。

摘要：碳化硅陶瓷具有优异的力学性能和良好的热学性能,是制备空间光学反射镜的理想材料之一。传统成型技术制备的SiC陶瓷反射镜普遍存在轻量化程度低、制备周期长等问题,难以满足空间光学系统的发展需求。当前,增材制造技术展现了其在低成本、短周期制备超轻型反射镜方面的巨大潜力。本文首先对常见的反射镜材料特性进行了对比;然后,综述了SiC陶瓷反射镜增材制造成型技术的研究进展,并详细论述了SiC陶瓷反射镜制备过程的组分设计、制备工艺、致密化方法等,总结了增材制造技术制备SiC陶瓷反射镜的技术路线;最后,对SiC陶瓷反射镜增材制造制备技术的未来发展提出展望。

摘要：本文设计并实现了一种三层结构液晶偏振体光栅,对其衍射特性及其在光波导中的耦合情况进行了研究。理论上,选取横向周期为424 nm,根据特定工作波长450 nm、532 nm、633 nm在满足布拉格衍射条件的情况下计算出了相对应的3个纵向周期以实现其厚度方向的叠加。采用有限元法对该器件进行了模拟仿真,计算出了其光谱特性及角度特性,根据红绿蓝三色光色散关系仿真出了其在波导内耦合的入射角与衍射角之间的关系曲线。实验上,本文实现了该液晶偏振体光栅器件的制备并对其进行了系统性能表征,给出了一个初步的光波导耦合实验,演示了其耦合效果。结果表明,所制备的三层液晶偏振体光栅器件在450 nm、532 nm、633 nm下衍射效率最高可达80%以上,对应波长下的角带宽分别为12°、8°、6°,其在波导内耦合的视场经模拟可达到27.81°,是一种良好的光波导耦合器件。

摘要：偏振转换器能够通过对入射光偏振态的动态调控间接实现几何相位型多功能光学器件光学响应特性的动态可调。基于液晶的偏振转换器具有调控效率高、调控面积大、紧凑化程度高等诸多优势,是目前应用较为广泛的偏振转换器。本文围绕偏振转换效率、工作波段、视场角3个核心参量,系统介绍了液晶偏振转换器最新的研究进展,分别给出了典型液晶偏振转换器和大视角宽波段液晶偏振转换器的详细结构和性能表现,同时介绍了液晶偏振转换器工作波段和视角的拓展方法。该项工作能够为液晶偏振转换器结构设计与应用提供必要的参考,同时为基于几何相位或新型相位调控模式的研究提供一些思路。

摘要：在深海原位环境下精确捕获和收集单个目标微生物是当前深海微生物研究中的一大挑战。设计了一个应用在深海环境中的光镊捕获系统方案,系统包含光镊模块、微流控芯片、耐压外罩等部分,可实现原位捕获收集深海微生物。建立了位于南海北纬18°附近,1.5 km深处的海水折射率模型,预估了深海对光镊系统激光功率的损耗。使用T矩阵法计算对比了光镊在深海中和陆地上的纯水中对不同折射率和不同大小的球形微生物的捕获力。结果表明,相比于纯水中,光镊在1.5 km的深海中的最大轴向捕获力平均降低了25%,最大横向捕获力平均降低了20%。本研究可为未来基于光镊技术开发的深海微生物分选设备的下海实验提供参考。

摘要：复杂曲面光学元件应用于光学系统中可以增大系统设计自由度,同时减少系统所需元件数量,有利于实现光学系统的紧凑化、轻量化,被誉为现代光学系统的变革性元件,被广泛应用于空间光学、光刻系统、汽车照明等领域,极大推动了航天、国防及高科技民用事业的发展。然而,复杂曲面光学元件对面形精度要求较高,如何对其面形进行高精度检测从而指导加工成为限制该类元件大范围应用的瓶颈。文章对10余种常用的复杂曲面光学元件面形检测方法进行了分类梳理,按照是否采用干涉原理,将检测方法分为非干涉检测法和干涉检测法两大类,分别介绍了各种检测方法的原理和适用范围,回顾了各方法的发展历程,着重分析了几种典型方法进行面形检测的特点,并对未来复杂曲面光学元件高精度面形检测技术的发展趋势加以展望。

摘要：为了满足工业污染排放及突发安全事故对在线实时监测分析仪器的迫切需求,提出了全景双谱段红外成像干涉光谱测量反演仪器。通过双通道干涉系统、双谱段成像系统及方位俯仰轴系的协同设计,实现目标场景图像光谱信息的大视场、宽谱段、高分辨率测量。首先,根据傅立叶光学理论,建立了干涉成像光谱的标量衍射理论模型;然后,基于宽带采样与窄带采样理论,对双通道干涉系统进行采样设计,并在分析干涉成像特点的基础上,对双谱段成像系统进行光学设计;最后,研制了原理样机,并开展了烟囱排放气体烟羽的遥测实验。该仪器可以实现360°×60°大视场空间场景中3~5μm和8~12μm中长波红外光谱范围内4 cm^(−1)分辨率的光谱测量,满足排放监测定性识别与定量分析的应用要求。