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40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究

红外与激光工程 2024年第3期53卷 41-51页

作者：王小坤陈俊林罗少博曾智江李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段... 详细信息

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al2O3载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06μm(RMS)、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55μm、探测器与制冷机温度梯度为2.6 K。40 K长波双波段红外探测器冷箱杜瓦组件经过2000 h通电老练和300次开关机试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。

关键词：杜瓦冷光学量子阱二类超晶格 40 K温区

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一种扫频干涉激光测距系统的标定方法

光学学报 2024年第14期44卷 111-119页

作者：闫语畅薛蔺洋陈潇洒陈桂林韩昌佩中国科学院上海技术物理研究所中国科学院大学

针对扫频干涉激光测距系统的标定问题，首先建立扫频干涉的数学物理模型，对测距原理进行推导；然后针对激光频率漂移导致系统误差的问题，提出通过改变扫描镜角度并利用基准尺对系统参数进行标定的方法；之后研究激光器扫频非线性误差... 详细信息

针对扫频干涉激光测距系统的标定问题，首先建立扫频干涉的数学物理模型，对测距原理进行推导；然后针对激光频率漂移导致系统误差的问题，提出通过改变扫描镜角度并利用基准尺对系统参数进行标定的方法；之后研究激光器扫频非线性误差数学物理模型，提出线性电流调制和信号处理算法对扫频特性进行标定，再构造电流调制函数对扫频非线性进行校正，仿真分析并对其进行验证；最后搭建相关实验平台，对两种标定校正方法分别进行实验，验证所提方法的有效性。在不额外增加光学器件或高精度仪器的情况下，所提标定方法可以实现扫频干涉激光测距系统的参数标定和校正，对在地面测试和在轨部署应用的测距系统保持长期稳定工作具有实际工程价值。

关键词：测量扫频干涉激光测距分布式反馈激光器系统标定非线性校正风云四号

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二维指向镜像旋校正及拼接方法

光学学报 2024年第12期44卷 217-224页

作者：李丹丹马超柴孟阳孙德新中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

在卫星探测领域,为了扩大探测器的成像视场,研究人员提出了二维指向镜配合凝视成像的观测模式,二维指向镜具有体积小、质量轻的特点,能够实现全方位探测。由于二维指向镜绕俯仰轴和方位轴旋转,而探测器像面固定不动,这种工作模式会引入... 详细信息

在卫星探测领域,为了扩大探测器的成像视场,研究人员提出了二维指向镜配合凝视成像的观测模式,二维指向镜具有体积小、质量轻的特点,能够实现全方位探测。由于二维指向镜绕俯仰轴和方位轴旋转,而探测器像面固定不动,这种工作模式会引入像旋误差,如不加以校正将造成探测目标的离轴信息失真,无法得到探测目标的准确方位信息。为此,本文提出了一种二维指向镜像旋校正方法,根据像旋产生的光学机理,构建二维指向镜成像模型,通过对该模型的逆向推导实现像旋校正。此外针对卫星探测领域对大视场成像的需求,本文提出了一种像旋校正图像拼接方法,该方法不受图像之间重叠区域大小的限制,能够得到缝合紧密、自然的大视场图像拼接结果。最后,用探测器采集了一组九宫格像旋数据,并进行了像旋校正和图像拼接,结果表明,所提方法能够成功校正图像的像旋畸变并得到完整的大视场拼接图像。

关键词：二维指向镜像旋图像拼接大视场

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天文应用红外焦平面读出电路研究

红外与激光工程 2024年第1期53卷 55-67页

作者：梁清华魏彦峰陈洪雷郭晶丁瑞军中国科学院上海技术物理研究所红外探测全国重点实验室上海200083

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提... 详细信息

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提下尽可能地降低电路功耗以减小电路辉光对器件暗电流的影响。同时,研究非破坏性读出的数字功能,实现了超长的积分时间和信号的多帧累积,并作为一种斜坡采样的策略有效地降低读出噪声。短波HgCdTe焦平面的测试结果符合理论设计预期,开启电路非破坏性读出功能,设置6 000 s的积分时间,当电路功耗调低至14.04 mW时暗电流为0.9 e-·pixel^(-1)·s^(-1)。读出噪声在两档增益下分别为50 e-(10 fF)和27 e-(5 fF),非线性度低于0.1%。

关键词：红外天文观测红外焦平面读出电路低功耗非破坏性读出读出噪声

高温熔盐印刷电路板式换热器的热工水力特性研究

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核技术 2024年第4期47卷 126-136页

作者：丁梦婷陈玉爽傅远中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院先进核能创新研究院上海201800 中国科学院大学北京100049

印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)换热效率高,结构紧凑,可作为小型模块化熔盐堆热量传输的关键设备,对其流动换热特性的研究具有重要意义。采用数值模拟方法,以翼型通道的熔盐(FNaBe)-氦气换热器为研究对象,通... 详细信息

印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)换热效率高,结构紧凑,可作为小型模块化熔盐堆热量传输的关键设备,对其流动换热特性的研究具有重要意义。采用数值模拟方法,以翼型通道的熔盐(FNaBe)-氦气换热器为研究对象,通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟计算对其熔盐侧的传热特性和阻力特性进行对比分析,分别得到不同温度、翅片类型和不同节距结构下的熔盐(FNaBe)-氦气换热器的流动换热特性,并与传统直通道结构对比进行综合评估。研究结果表明,数值模拟的计算结果与实验结果对比符合较好,翼型翅片流道结构相较于直通道结构能够强化传热、降低阻力,其中节距为8 mm的NACA0025翼型翅片流道结构的流动传热特性最好。本研究建立的数值模拟方法能够用于印刷电路板式换热器的流动传热特性的预测,拟合出节距为8 mm的NACA0025翼型翅片结构的经验关联式,为后续换热器的设计提供理论基础。

关键词：印刷电路板式换热器熔盐流动换热特性数值模拟

冷光学用大口径2 k×2 k红外探测器组件封装技术

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红外与激光工程 2024年第5期53卷 73-82页

作者：朱海勇曾智江孙闻赵振力范广宇季鹏张启庄馥隆李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

大面阵和长线列红外探测器已成为下一代红外探测器的发展方向之一,针对于大面阵探测器低温封装的难点,提出了一种大面阵探测器组件封装结构。对组件低形变窗口支撑结构、低噪声冷平台结构以及低漏热兼高可靠性的引线键合工艺等方面进行... 详细信息

大面阵和长线列红外探测器已成为下一代红外探测器的发展方向之一,针对于大面阵探测器低温封装的难点,提出了一种大面阵探测器组件封装结构。对组件低形变窗口支撑结构、低噪声冷平台结构以及低漏热兼高可靠性的引线键合工艺等方面进行了研究,以中波红外2 k×2 k探测器组件为研究对象,通过200 K窗口低温光学设计和低形变窗口帽支撑方式实现组件低背景杂散光抑制设计和窗口形变控制。采用SiC基板实现探测器工作温度波动控制和噪声抑制,5 min内探测器温度波动小于0.1 K,噪声等效温差(NETD)小于20 mK。为了降低引线漏热和增强引线可靠性,采用铂铱丝键合工艺,引线漏热相较于金丝和硅铝丝下降至1/10,制冷机功率由72 W降至39 W。引线随组件通过随机和正弦力学试验考核。解决了大面阵探测器封装中杂散光、大口径窗口形变、探测器噪声、引线漏热和强度等一系列问题,该组件已成功运用于某项目2 k×2 k探测器封装中。

关键词：红外探测器 2 k×2 k 铂铱丝杜瓦组件

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长波红外制冷杜瓦组件杂散光分析

中国激光 2024年第8期51卷 223-233页

作者：朱海勇陈俊林曾智江徐勤飞王小坤李亚冉李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083

杂散光抑制是保证红外遥感数据定量化反演精度和图像质量的前提。为了抑制系统杂散光,利用点源透过率(PST)与杂散光系数(VGI)的函数关系计算了VGI,并分别用VGI和杂散比(NSR)作为指标对系统外部杂散光和系统背景辐射的抑制方法进行了研... 详细信息

杂散光抑制是保证红外遥感数据定量化反演精度和图像质量的前提。为了抑制系统杂散光,利用点源透过率(PST)与杂散光系数(VGI)的函数关系计算了VGI,并分别用VGI和杂散比(NSR)作为指标对系统外部杂散光和系统背景辐射的抑制方法进行了研究。结果表明:采用冷光学设计能有效抑制系统背景辐射,此时系统工作的三个波段NSR从4.5以上降低至0.35以下。制冷机制冷是冷光学设计和探测器工作的基础,研究了杜瓦窗口和冷屏设计对VGI、NSR和制冷机功耗的影响,进而优化了窗口和冷屏的设计参数。拟合实验数据明确了杜瓦漏热与制冷机功耗的函数关系,提出了一种低制冷功耗和高杂散光抑制的冷屏设计,此时杜瓦漏热为1.7 W,制冷机功耗为103.72 W,系统的VGI从1.95%降低至1.92%,窗口的NSR下降了60%,满足项目要求。研究结果解决了低温光学设计、制冷机功耗和杂散光抑制等一系列问题,组件通过力学试验,已成功运用于某项目用光谱成像仪中。

关键词：光学设计杂散光杜瓦窗口冷光学设计杂散光系数制冷功耗

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纳弧度级柔性角位移调节机构的优化设计

核技术 2024年第6期47卷 1-10页

作者：赵高峰祝万钱张丽敏刘芳芳金利民薛松中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院上海高等研究院上海201204 中国科学院大学北京100049

针对同步辐射中纳弧度级角位移调节的需求,优化设计并研制出一套冗余并联式柔性铰链转动装置。分析了柔性机构的运动学机理,利用虚位移原理推导出机构的整体静态转动刚度,研究其特性及铰链各参数对其影响。根据拉格朗日方程建立其动力... 详细信息

针对同步辐射中纳弧度级角位移调节的需求,优化设计并研制出一套冗余并联式柔性铰链转动装置。分析了柔性机构的运动学机理,利用虚位移原理推导出机构的整体静态转动刚度,研究其特性及铰链各参数对其影响。根据拉格朗日方程建立其动力学模型,推导出机构在运动方向的固有频率。建立数学优化模型,进行了机构静态和动态的双目标优化设计,采用基因遗传算法对带有非线性约束条件的目标函数优化求解。利用有限元方法对优化后的机构进行了模态分析,研究了柔性机构的前四阶固有频率和振型。制作出高精度的柔性铰链机构,设计搭建转动调节装置进行实验测试。测试结果表明:柔性角位移调节机构转角可达到0.668°,微调时双向运动重复精度实现±8.91 nrad,角分辨率为15 nrad,1~500 Hz的30 min稳定性(均方根值)为2.72 nrad,机构的一阶固有频率约295 Hz,与理论计算和有限元分析相一致。结果验证了优化设计的柔性机构实现纳弧度级高精度角位移调节的有效性和可靠性。

关键词：纳弧度级柔性机构优化设计遗传算法模态分析

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Al^(+)光钟态“幻零”波长的理论计算

物理学报 2024年第10期73卷 96-104页

作者：魏远飞唐志明李承斌黄学人中国科学院精密测量科学与技术创新研究院原子频标重点实验室武汉430071 中国科学院大学北京100049 复旦大学现代物理研究所核物理与离子束应用教育部重点实验室上海EBIT实验室上海200433 武汉量子技术研究院武汉430206

本文使用组态相互作用加多体微扰理论方法对Al^(+)光钟态3s^(2)^(1)S_(0)和3s3p^(3)P_(0)的“幻零”波长进行了理论计算.3s^(2)^(1)S_(0)态的“幻零”波长为266.994(1)nm,3s3p^(3)P_(0)态的“幻零”波长为184.56(7)nm,174.4(1)nm,121.5(1)nm和119.7(2)nm.精确测量这些“幻零”波长,有助于高精度确定光钟态相关跃迁的振子强度或者约化矩阵元,进而降低Al^(+)光钟黑体辐射频移评估的不确定度.同时,对这些“幻零”波长的精密测量,对研究Al~+原子结构具有重要意义.

关键词： Al^(+) 极化率 “幻零”波长 CI+MBPT