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《北京理工大学》 2017年
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高精度激光差动共焦超长焦距测量方法与技术研究

李志刚  
【摘要】:超长焦距透镜被广泛应用于激光聚变系统、空间光学系统和高能激光武器等大型光学系统研究领域中,超长焦距的测量精度直接影响到这些大型光学系统的成像质量及使用性能。但超长焦距的高精度测量一直是光学测试领域尚未解决的技术瓶颈。因此,开展高精度超长焦距的测量方法和技术研究对于激光聚变系统、空间光学系统和高能激光武器等大型光学系统具有重要应用价值。本论文在国家重大科学仪器设备开发专项“激光差动共焦扫描成像与检测仪器开发及其应用研究”(编号:2011YQ040136)资助下,开展了高精度激光差动共焦超长焦距测量方法与技术研究,主要完成了以下工作:开展了一种具有参考镜焦距和组合透镜间隔自校准能力的激光差动共焦组合超长焦距测量方法研究,利用差动共焦轴向精密定焦技术,依次对参考镜焦点及其后表面顶点精确定位测得参考镜焦距值、对被测镜后表面顶点和参考镜后表面顶点精确定位测得轴向间隔、对有/无被测镜时系统焦点精确定焦测得焦点位置变化量,继而由组合焦距计算公式间接测得被测镜焦距;构建了激光差动共焦组合超长焦距测量光路,建立了激光差动共焦组合超长焦距测量光路理论分析模型,根据基尔霍夫衍射理论推导了激光差动共焦超长焦距测量系统三维点扩散函数定焦表达式,为测量光路中关键影响因素分析测量系统研制提供了核心理论依据;提出了参考镜焦距和镜组间隔自校准方法,该方法基于系统焦点与差动共焦光强响应曲线零点精确对应这一特性,对参考镜焦点及其后表面顶点进行精确定位实现参考镜焦距自校准,对参考镜后表面顶点及被测镜后表面顶点进行精确定位实现镜组间隔自校准,很好的解决了组合焦距测量中参考镜焦距和镜组间隔校准难题;提出了一种可用于被测镜曲率半径高精度测量的激光差动共焦超大曲率半径测量方法,该方法将被测镜放置于参考镜出射会聚光路中,利用光束会聚点与差动共焦光强响应曲线零点精确对应这一特性,分别对被测镜猫眼位置和参考镜后表面顶点位置进行精确定位,获得被测镜移动的位置差值,利用光线追迹算法,实现被测镜曲率半径高精度测量,该方法可大幅缩短测量光路,减少测长长度,同时提高曲率半径测量精度;参与研制了首台测量口径?610mm,测量范围10m~50m的大口径激光差动共焦组合超长焦距测量系统,分析了系统主要误差源及影响机理,基于该系统开展了超长焦距测量实验研究,采用蒙特卡洛法进行不确定度评定。实验结果表明,所研系统对31.2m焦距的相对重复测量精度为0.0034%(34ppm),对12m焦距的相对重复测量精度为0.0044%(44ppm);综上所述,本论文提出了一种具有参考镜焦距和组合透镜间隔自校准能力的高精度激光差动共焦超长焦距测量方法,基于所提方法研制了一套大口径激光差动共焦超长焦距测量系统,利用该系统验证了所提方法可行性,为解决大口径超长焦距的高精度测量难题提供了一条全新的技术途径。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN249

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