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完全实现自主可控的国产光栅设计软件

中国激光 2024年第14期51卷 264-274页

作者：丁新辉余惠李大为张军勇王利周琼卢兴强中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室上海201800 中国科学院大学北京100049

通过对傅里叶模态法(也称严格的耦合波分析算法)的攻关与研究,介绍了一款国产的光栅设计与分析软件——光栅设计者。该软件独立开发,并完全自主可控,旨在填补国内光栅光学设计分析软件的空白。软件从算法开发与攻关开始,目前已取得了重... 详细信息

通过对傅里叶模态法(也称严格的耦合波分析算法)的攻关与研究,介绍了一款国产的光栅设计与分析软件——光栅设计者。该软件独立开发,并完全自主可控,旨在填补国内光栅光学设计分析软件的空白。软件从算法开发与攻关开始,目前已取得了重大进展并即将发布。软件核心代码的自主率达到100%,与VirtualLab和Gsolver等国际主流光栅设计软件的计算精度相当,且支持更多光栅类型的设计与分析,包含一维、二维光栅及微结构和超表面等复杂光学结构。光栅设计者以简明的界面,表格化的参数输入,灵活多变的光栅结构建模,强大的参数扫描能力和高效的并行效率为特点,降低了用户的学习成本,适用于从极紫外到太赫兹波段的电磁场计算与分析。

关键词：光栅光栅设计光学设计严格耦合波分析超表面微结构设计

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双波长大口径液晶光弹性测量仪研制

中国激光 2024年第13期51卷 133-142页

作者：陈昱志邢童璐林强刘诚朱健强中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室上海201800 中国科学院大学北京100049

提出了一种基于双波长椭圆偏振光测量光弹性应力的方法,采集两种相近波长照明下、特殊液晶旋光角度下透过待测样品的光强分布图像,对其进行一系列计算处理,得到待测样品的应力分布。利用双波长LED和液晶旋光板等先进光源和先进光调控器... 详细信息

提出了一种基于双波长椭圆偏振光测量光弹性应力的方法,采集两种相近波长照明下、特殊液晶旋光角度下透过待测样品的光强分布图像,对其进行一系列计算处理,得到待测样品的应力分布。利用双波长LED和液晶旋光板等先进光源和先进光调控器件,发明了一个可以测量样品中应力分布的光学仪器。进行了相关的实验测量,并与传统的六步相移方法做了实验对比验证了该方法的有效性,相对误差达到2.85%。且所研究的光弹性液晶测量仪结构简单、操作快速,不需要复杂的机械旋转等手动调控。仪器分辨率达到0.25 mm,符合光弹性测量标准。

关键词：光弹性测量应力液晶椭圆偏振光

一种基于元学习的大口径射电望远镜俯仰轴承故障辨识方法研究

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天文学报 2024年第3期65卷 82-91页

作者：朱金浩许谦薛飞何飞龙梁娟许多祥中国科学院新疆天文台乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049 中国科学院射电天文重点实验室乌鲁木齐830011 新疆射电天体物理重点实验室乌鲁木齐830011

在经过长期运行后大口径射电望远镜俯仰轴会出现微小扭曲,滚动轴承作为承载俯仰轴的核心部件,也会因长期承受交变载荷增加疲劳风险,导致轴承寿命以及望远镜指向精度的下降,极大影响望远镜的性能.以俯仰轴承为研究对象,开展故障辨识方法... 详细信息

在经过长期运行后大口径射电望远镜俯仰轴会出现微小扭曲,滚动轴承作为承载俯仰轴的核心部件,也会因长期承受交变载荷增加疲劳风险,导致轴承寿命以及望远镜指向精度的下降,极大影响望远镜的性能.以俯仰轴承为研究对象,开展故障辨识方法研究,可为望远镜天线的高性能运行提供重要支撑.为实现在有限数据和复杂工作条件下准确地辨识俯仰轴承故障,提出了一种小样本条件下基于元学习的故障辨识方法(Few-shot Meta-learning Fault Identification, FMFI).首先将不同工况下的原始信号转换为时频图像数据,之后按照元学习协议将数据样本随机采样到不同的学习任务中.在有限样本的条件下, FMFI可以通过训练任务中的样本信息获取通用的先验知识,在未知的测试任务下实现准确快速的故障辨识.选取了与望远镜俯仰轴承工况具有相似性的变负载轴承数据集进行实验,实验结果表明, FMFI方法具有很高的准确性和可靠性,为大口径射电望远镜俯仰轴承的主动运维和高质量服役提供了有力的技术支持.

关键词：望远镜仪器:俯仰轴承方法:数据分析方法:模式识别

2种纤维素纳米纤维作为水基润滑添加剂的摩擦学性能研究

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摩擦学学报 2024年第9期44卷 1295-1305页

作者：张彧一胡文敬李久盛中国科学院上海高等研究院先进润滑材料实验室中国科学院大学中国科学院上海高等研究院中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室

为探索不同制备方法得到的纤维素纳米纤维作为水基润滑添加剂的摩擦学性能，选择TEMPO (2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧自由基)氧化法和机械法得到的2种纤维素纳米纤维(TO-CNF和C-CNF).采用光学显微镜(POM)、扫描电子显微镜(SEM)、激光粒... 详细信息

为探索不同制备方法得到的纤维素纳米纤维作为水基润滑添加剂的摩擦学性能，选择TEMPO (2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧自由基)氧化法和机械法得到的2种纤维素纳米纤维(TO-CNF和C-CNF).采用光学显微镜(POM)、扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度仪、红外光谱(FT-IR)、X射线粉末衍射(XRD)和元素分析等方法对其形貌和结构进行表征，发现上述2种不同类型的CNF均为棒状结构，且为纤维素I型，其中氧化法制备的TO-CNF结构中含有一定量的羧基官能团.通过热重分析表明，C-CNF的热稳定性略优于TO-CNF.进一步通过UMT往复摩擦试验机研究了2种CNF作为水基润滑添加剂的摩擦学性能，结果表明，在添加量(质量分数，w)不超过1%时，2种CNF在不同添加浓度下均表现出显著的减摩性能.其中TO-CNF的减摩性能略优于C-CNF，添加w=1%可使摩擦系数相对于基础体系降低51%.通过钢板表面接触角和磨损后的表面分析对CNF的润滑作用机理进行分析，推测由于CNF结构中含有大量的羟基或羧基等极性官能团，作为添加剂能够在摩擦副表面发生不同程度的吸附从而形成润滑保护膜，防止滑动表面微凸体的直接接触进而改善摩擦学性能.

关键词：纤维素纳米纤维水基润滑添加剂极性基团摩擦学性能润滑膜

来源：博看期刊

中国散裂中子源二期靶站关键部件辐照损伤模拟计算

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物理学报 2024年第9期73卷 46-57页

作者：曹嵩殷雯周斌胡志良沈飞易天成王松林梁天骄中国科学院高能物理研究所北京100049 中国科学院大学核科学与技术学院北京100049 粤港澳中子散射科学技术联合实验室东莞523800

中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收,当前束流功率已经达到140 kW.为进一步提高靶站慢化器输出中子强度,已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划.靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照,会产生较强的辐照损伤,... 详细信息

中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收,当前束流功率已经达到140 kW.为进一步提高靶站慢化器输出中子强度,已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划.靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照,会产生较强的辐照损伤,影响着这些部件的使用寿命.本文首先使用PHITS3.33程序计算了钨、SS316不锈钢、6061铝合金3种材料的质子和中子原子离位截面以及氢、氦的产生截面,并分析了NRT(Norgett-Robinson-Torrens)模型和热平衡前原子复位修正(athermal recombination corrected,ARC)模型对材料离位损伤的影响.在此基础上结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数(displacement per atom,DPA)以及氢、氦的产额.计算结果表明,钨靶受辐照后产生的NRT-dpa,ARC-dpa,H和He产额最大值分别为8.01 dpa/y(1 y=2500 MW·h),2.39 dpa/y,5110 appm/y(atom parts per million,appm,每百万原子中产生该原子的个数)和884 appm/y.同样也计算了靶容器、慢化器反射体容器和质子束窗的辐照损伤值,根据这些部件的辐照损伤值预估了各自的使用寿命.这些结果对分析中国散裂中子源二期靶站关键部件的辐照损伤情况,构建合理的维护方案有着十分重要的意义.

关键词：中国散裂中子源二期靶站辐照损伤 ARC-dpa PHITS模拟

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新一代帕洛马天文台光谱仪的虚拟刀口欠采样像质测量方法

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光子学报 2024年第4期53卷 11-19页

作者：汤丽峰胡中文陈儒周楠季杭馨中国科学院南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学南京学院南京211135

天文光谱仪的成像质量可用点扩散函数或线扩散函数来表征,但其相对于光谱仪探测器通常为欠采样,很难直接测量。在新一代帕洛马天文台光谱仪的像质测试中引入虚拟刀口法进行光源物面扫描,并应用虚拟刀口法开展欠采样光谱仪像质及光源尺... 详细信息

天文光谱仪的成像质量可用点扩散函数或线扩散函数来表征,但其相对于光谱仪探测器通常为欠采样,很难直接测量。在新一代帕洛马天文台光谱仪的像质测试中引入虚拟刀口法进行光源物面扫描,并应用虚拟刀口法开展欠采样光谱仪像质及光源尺度测量,通过模拟和实验研究,对比分析过采样经典直边刀口法和过采样直接测量方法,验证了虚拟刀口法具有良好的测量精度。在693 nm处,直边刀口法测得光谱仪过采样线扩散函数的半高全宽为7.05μm,虚拟刀口法测量欠采样线扩散函数的半高全宽为7.14μm,测量误差为1.3%。在0.3"视场的光源尺度下,虚拟刀口法测得689、693、701 nm欠采样线扩散函数的半高全宽分别为24.2、27.7、30.8μm,以过采样直接测量结果为参考,其测量准确度分别为98.3%,93.9%和88.8%。实验结果表明,探测器成像严重欠采样时,采用光源物面扫描的虚拟刀口法可准确测量光谱仪的成像质量,该方法结合色散系数还可实现光谱仪分辨率的测量,相关研究工作可为天文光谱仪像质的直接测量提供借鉴。

关键词：点扩散函数线扩散函数虚拟刀口欠采样成像像质测量

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基于高阶准离散汉克尔变换的光束整形算法

光学学报 2024年第7期44卷 196-204页

作者：余惠丁新辉李大为周琼吕凤年卢兴强中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

针对具有圆对称结构特征的光束,提出了一种基于高阶准离散汉克尔变换的光束整形算法。与传统Gerchberg-Saxton算法相比,相同条件下,该算法能够在较少的迭代次数内实现快速收敛,并大幅节省计算时间(约100倍),利用该算法设计的衍射光学元... 详细信息

针对具有圆对称结构特征的光束,提出了一种基于高阶准离散汉克尔变换的光束整形算法。与传统Gerchberg-Saxton算法相比,相同条件下,该算法能够在较少的迭代次数内实现快速收敛,并大幅节省计算时间(约100倍),利用该算法设计的衍射光学元件呈圆对称分布,结构简单、更易于加工;此外,设计实验对目标光束整形,验证了该算法的可行性,实验结果光强分布较好,为衍射光学元件的设计和加工提供了重要的指导意义。

关键词：物理光学汉克尔变换光束整形算法 Gerchberg-Saxton算法衍射光学元件

高稳定高光光效率的Yb∶YAG单薄片再生放大器

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中国激光 2024年第2期51卷 39-44页

作者：石玉森李祖强潘雪肖奇汤晓云卢兴华王江峰张攀政姜有恩范薇李学春朱健强中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

薄片激光器可以实现高峰值功率、高平均功率、高光束质量的激光输出,是高重复频率皮秒泵浦源的关键技术之一。基于Yb∶YAG单薄片激光模块设计并搭建了再生放大系统,连续泵浦下获得了平均功率为40.9 W、重复频率为1 kHz、脉冲宽度为3.4 n... 详细信息

薄片激光器可以实现高峰值功率、高平均功率、高光束质量的激光输出,是高重复频率皮秒泵浦源的关键技术之一。基于Yb∶YAG单薄片激光模块设计并搭建了再生放大系统,连续泵浦下获得了平均功率为40.9 W、重复频率为1 kHz、脉冲宽度为3.4 ns的激光输出,水平方向上的光束质量因子(M_(x)^(2))和竖直方向上的光束质量因子(M_(y)^(2))分别为1.12和1.10。基于腔内光束指向主动控制技术,2 h输出的平均功率稳定性峰谷(PV)值和均方根(RMS)值分别为6.42%和0.56%。在600μs脉冲泵浦情形下,光光效率达16.1%。在10 kHz重复频率下,获得了53.3 W的高平均功率的激光输出,M_(x)^(2)和M_(y)^(2)分别为1.07和1.06。

关键词：激光器薄片激光器再生放大器脉冲泵浦激光稳定性

高功率激光系统中调制光束的复杂非线性传输效应

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中国激光 2024年第11期51卷 131-142页

作者：刘雨欣焦兆阳王宏昌孙明营朱健强中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

非线性光场增强是导致高功率激光装置终端光学元件损伤的主要原因之一。系统地研究单缺陷的精细形貌以及双缺陷的三维空间分布对调制光束的非线性演变规律的影响,发现了多种非线性传输新现象并揭示了其产生机制。仿真结果表明:边缘陡峭... 详细信息

非线性光场增强是导致高功率激光装置终端光学元件损伤的主要原因之一。系统地研究单缺陷的精细形貌以及双缺陷的三维空间分布对调制光束的非线性演变规律的影响,发现了多种非线性传输新现象并揭示了其产生机制。仿真结果表明:边缘陡峭的单一缺陷会产生双峰热像,这打破了传统认知中缺陷和热像在纵向的共轭关系;双缺陷间的相互作用导致双缺陷中轴位置上额外热像峰的出现,打破了缺陷和热像在横向的一一对应关系。系列研究结果表明了调制光束非线性传输的复杂性,上游缺陷的精细形貌差别和相互干涉均可能使得下游产生额外的光场强区,强度得到进一步增强,最终导致基于原有关于B积分和热像认知的驱动器非线性控制策略失效。本研究结果加深了对复杂非线性光场传输规律的认知,不仅有助于优化装置中终端元件的排布,而且对高功率激光装置中大口径光学元件缺陷的精密检测和评估提出了新的要求,为高功率激光装置的终端负载能力提高提供了重要技术参考。

关键词：高功率激光驱动器非线性传输效应缺陷光场调制自聚焦