基于单模光纤光源的大口径细光束自准直技术的研究

发布时间：2020-11-19 21:09

　　 在同步辐射光源、自由电子激光、X射线天文望远镜等研究领域,均会采用大尺寸反射镜实现对X射线的反射或聚焦,这些大尺寸反射镜的面型误差直接决定了相关领域光束的质量。在大尺寸反射镜面的高精度加工和使用过程中,高精度非接触的光学检测技术起到了关键性作用,长程面形仪(LTP)和纳弧度测量仪(NOM)是实现大尺寸反射镜检测的主要仪器,可以实现逐点扫描检测表面的斜率。NOM装置使用商业化高精度自准直仪替代了LTP中复杂的检测光路极大地提高了测量精度,但当其作为反射镜测量时,为了反映反射镜表面斜率的细节,需要测量光束的直径小于1mm,而商业化自准直仪的口径为30mm以上,因此NOM在使用自准直仪时通常采用小孔光阑选出一束细光束用于测量,即自准直仪工作在大口径、细光束模式下。这样设计于宽光束的自准直仪,用于细光束工作模式时会因光束口径改变引入额外的测量误差。因此为了满足NOM细光束测量的要求,本文针对大口径细光束自准直系统进行了研究。本论文详细介绍了国内外自准直仪的发展现状,深入研究了自准直光学原理和单模光纤光源的原理,并根据仪器拟达到的技术指标,提出了具体系统的物理设计方案。结合MATLAB和ZEMAX软件对光源准直系统进行了验证与设计,优化了f-θ透镜参数使其满足细光束工作模式,并对细光束下影响自准直仪测量精度的各误差源进行了深入分析,对入射光束发散度误差进行了ZEMAX模拟验证,通过对上述误差的定量与定性分析,直观的观察到各类误差源对系统精度造成的影响,为后续大口径细光束自准直系统的设计提供了重要的理论支持。最终对整个大口径细光束自准直测量系统进行了ZEMAX模拟,得出该光学系统在工作距离为1~2m,量程为5mrad以内时的测量误差400nrad,满足系统的总体设计要求。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH741.14
【部分图文】：

图 2.3 高斯光束聚焦Figure 2.3 Gaussian beam focusing斑半径，L 是 0与透镜 1 的横向位置大小，f 径为ω( )，经过透镜 1 后的像方腰斑大小为 幅分布曲线不变仍为高斯光束，则 0传播一定面半径ω( )为：ω( ) = 01 ( 02)2的特性和透镜作用可得经过透镜后的腰斑大小 12= 02 2( )2( 02 )2 = ( )2 222

第 2 章 自准直光学原理及高斯光源的原理散角 2，就必须使透镜前焦平面处的束腰半径尽可能的小，也即是采用两镜联合使用。由公式（2.11）可知，束腰半径 1与焦距 f 成正比，因此还采用减小透镜焦距的办法来减小束腰半径 1。由上述分析可以得到具体的光源准直结构如图 2.4 所示，第一个透镜采用距的凸透镜，可以把初始腰斑 0压缩到 1，第二个透镜采用长焦距的凸透使腰斑 1位于透镜 2 的物方焦平面处，此时可以增大束腰半径 2，以此实束准直的作用。

（3）±5mrad（1031"）内精度为 500nrad（0.1"）2 总体方案本物理设计是根据自准直光学原理，主要构成部分包括光源、光学结构CD。其主光路如图 3.1 所示，主光路中使用了单模光纤光源，具有非相干、亮度高、能量集中以及信噪比高等特点，同时根据需要光路中选用了短的透镜和长焦距的准直物镜，使整个系统在用于入射光束经过反射镜反射为测量光束实现待测镜面的检测时可以满足细光束测量的光束发散度要求准直物镜和 CCD 构成了 f-θ 角度检测系统，该检测系统是针对细光束设计，采用的优化方案是在多组不同工作距离及大范围测量角度（如 5mrad），以对应细光束测量光斑质心位置的偏移量最小为目标进行优化，使得自仪光学系统的像差与入射光入射到光学系统的空间位置无关，极大地降低镜像差引入的系统误差，同时保证了大范围角度下的测量精度。
【参考文献】

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本文编号：2890447