面向激光探测的精密光机系统研制及应用

沈正祥; 余俊; 王晓强; 王占山

doi:10.37188/OPE.20223021.2737

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面向激光探测的精密光机系统研制及应用

更新时间：2026-09-12

- 面向激光探测的精密光机系统研制及应用
- Development and application of precision optical system for laser detection
- 光学精密工程 2022年30卷第21期页码：2737-2751
- 作者机构：
  
  同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092
- 作者简介：
  
  沈正祥（1980-），男，博士，教授，博士生导师，2002年于南京师范大学获得学士学位，2008年于同济大学获得博士学位，主要从事先进光学制造、光学仪器研制等研究工作。E-mail： shenzx@tongji.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(11873004;61621001);上海市级科技重大专项-人工智能基础理论与关键核心技术(2021SHZDZX0100);中央高校基本科研业务费专项资金
- DOI：10.37188/OPE.20223021.2737
  中图分类号： TH703
- 收稿：2022-07-16，
  
  修回：2022-08-31，
  
  纸质出版：2022-11-10
- 稿件说明：
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沈正祥,余俊,王晓强等.面向激光探测的精密光机系统研制及应用[J].光学精密工程,2022,30(21):2737-2751.

SHEN Zhengxiang,YU Jun,WANG Xiaoqiang,et al.Development and application of precision optical system for laser detection[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(21):2737-2751.
沈正祥,余俊,王晓强等.面向激光探测的精密光机系统研制及应用[J].光学精密工程,2022,30(21):2737-2751. DOI： 10.37188/OPE.20223021.2737.

SHEN Zhengxiang,YU Jun,WANG Xiaoqiang,et al.Development and application of precision optical system for laser detection[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(21):2737-2751. DOI： 10.37188/OPE.20223021.2737.

摘要

面向激光探测需求，创建了涵盖“光学设计-结构设计-元件制造-装调集成-性能评价和应用”的精密光机系统全环节研发平台。发展了“光学设计-结构设计-力热学设计”高效耦合的综合设计方法，建立了基于光机误差分解的精密装配集成方法，形成了透射光学系统定心装调、反射光学系统的高精度集成装配流程和技术，配备了光学系统波前和成像性能检测仪器，支撑了多种复杂功能的精密光机系统的研制。本文全面梳理了同济大学面向激光探测需求的精密光机系统和仪器研制方面的科研工作，针对我国“星光III”强激光装置的探测需求，研制了首套联合视频合成孔径雷达和扫描光学高温计的主被动复合诊断装置和辐射高温光学测量系统，共同为“星光III”开展超高压物态方程实验提供了技术支撑与诊断测试手段。面向海环境下目标与环境激光散射特性的测量需求，研制了发散光激光雷达散射截面测量装置和双功能平行光LRCS激光测量装置，实现了模拟海环境下标准散射体与海环境的激光散射特性的精确测量，为超低空激光雷达研制提供了数学模型和实验数据。

Abstract

To meet the requirements of laser detection， Tongji University established a full link R & D platform for a precision opto-mechanical system encompassing optical design， structural design， component manufacturing， assembly and adjustment integration， performance evaluation and application after more than ten years of construction. For the development of complex optical and mechanical systems， an efficient coupling comprehensive design method of optical， structural， and thermomechanical design has been developed， a precision assembly integration method based on optical and mechanical error decomposition has been established， a high-precision integrated assembly process and technology for the centering and adjustment of transmission optical systems and reflection optical systems have been formed， and optical system wavefront and imaging performance testing instruments have been equipped， which supports the development of precision optical and mechanical systems with various complex functions. This study comprehensively reviews research on the development of precision opto-mechanical systems and instruments for laser detection. To meet the detection requirement of China's XG-III strong laser facility， the first active and passive composite diagnostic device combining VISAR and SOP and a radiation high temperature optical measurement system are developed， which together provide technical support and diagnostic testing for XG-III to conduct the experiment of ultra-high pressure equation of state. To meet the requirements of measuring the laser scattering characteristics of targets and environments in a sea environment， diffused light and dual function parallel light LRCS laser measuring devices， which can accurately measure the laser scattering characteristics of standard scatterers and sea environment in sea environment simulations and provide mathematical models and experimental data for the development of ultra-low altitude lidar， have been developed.

关键词

Keywords

references

徐锡申，张万箱 . 实用物态方程理论导引［M］. 北京：科学出版社， 1986 .

XU X S ， ZHANG W X . Practical Theoretical Guidance of Equation of State ［M］. Beijing ： Science Press ， 1986 . （in Chinese）

经福谦 . 实验物态方程导引［M］. 2版 . 北京：科学出版社， 1999 .

JING F Q . Experimental Equation of State Guidance ［M］. 2nd ed . Beijing ： Science Press ， 1999 . （in Chinese）

汤文辉，张若棋 . 物态方程理论及计算概论［M］. 长沙：国防科技大学出版社， 1999 .

TANG W H ， ZHANG R Q . Introduction to Theory and Calculation of Equation of State ［M］. Changsha ： National University of Defense Technology Press ， 1999 . （in Chinese）

BATANI D ， BALDUCCI A ， BERETTA D ， et al . Equation of state data for gold in the pressure range 10 TPa ［J］. Physical Review B ， 2000 ， 61 （ 14 ）： 9287 - 9294 . doi: 10.1103/physrevb.61.9287 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.61.9287

魏晓峰，郑万国，张小民 . 中国高功率固体激光技术发展中的两次突破［J］. 物理， 2018 ， 47 （ 2 ）： 73 - 83 . doi: 10.7693/wl20180202 http://dx.doi.org/10.7693/wl20180202

WEI X F ， ZHENG W G ， ZHANG X M . Two breakthroughs in the development of high power solid-state laser technology in China ［J］. Physics ， 2018 ， 47 （ 2 ）： 73 - 83 . （in Chinese） . doi: 10.7693/wl20180202 http://dx.doi.org/10.7693/wl20180202

江少恩，丁永坤，刘慎业，等 . 神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展［J］. 物理， 2010 ， 39 （ 8 ）： 531 - 542 .

JIANG S E ， DING Y K ， LIU S Y ， et al . Recent inertial confinement fusion experiments and diagnostic techniques on the Shenguang laser facility ［J］. Physics ， 2010 ， 39 （ 8 ）： 531 - 542 . （in Chinese）

CELLIERS P M ， BRADLEY D K ， COLLINS G W ， et al . Line-imaging velocimeter for shock diagnostics at the OMEGA laser facility ［J］. Review of Scientific Instruments ， 2004 ， 75 （ 11 ）： 4916 - 4929 . doi: 10.1063/1.1807008 http://dx.doi.org/10.1063/1.1807008

BARKER L M ， HOLLENBACH R E . Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface ［J］. Journal of Applied Physics ， 1972 ， 43 （ 11 ）： 4669 - 4675 . doi: 10.1063/1.1660986 http://dx.doi.org/10.1063/1.1660986

MALONE R M ， BOWER J R ， CAPELLE G A ， et al . Fielding of an imaging VISAR diagnostic at the National Ignition Facility （NIF）［C］. Optical Science and Technology ， the SPIE 49th Annual Meeting. Proc SPIE 5523 ， Current Developments in Lens Design and Optical Engineering V ， Denver， Colorado ， USA . 2004 ， 5523 ： 148 - 157 . doi: 10.1117/12.561773 http://dx.doi.org/10.1117/12.561773

MALONE R M ， BOWER J R ， BRADLEY D K ， et al . Imaging VISAR diagnostic for the national ignition facility （NIF）［C］. Proc SPIE 5580 ， 2005 ， 5580 ： 505 - 516 . doi: 10.1117/12.579285 http://dx.doi.org/10.1117/12.579285

ERSKINE D J ， SMITH R F ， BOLME C A ， et al . Two-dimensional imaging velocity interferometry： data analysis techniques ［J］. Review of Scientific Instruments ， 2012 ， 83 （ 4 ）： 043116 . doi: 10.1063/1.4704840 http://dx.doi.org/10.1063/1.4704840

MALONE R M ， FROGGET B C ， KAUFMAN M I ， et al . Design of an imaging VISAR diagnostic for the National Ignition Facility （NIF）［C］. Optical Science and Technology ， SPIE's 48th Annual Meeting. Proc SPIE 5173 ， Current Developments in Lens Design and Optical Engineering IV ， San Diego ， California ， USA . 2003 ， 5173 ： 26 - 37 . doi: 10.1117/12.506774 http://dx.doi.org/10.1117/12.506774

MALONE R M ， CELESTE J R ， CELLIERS P M ， et al . Optical alignment techniques for line-imaging velocity interferometry and line-imaging self-emission of targets at the National Ignition Facility （NIF）［C］. Optical Engineering + Applications. Proc SPIE 6676， Optical System Alignment and Tolerancing ， San Diego， California， USA . 2007 ， 6676 ： 75 - 89 . doi: 10.1117/12.731639 http://dx.doi.org/10.1117/12.731639

KAUFMAN M I ， CELESTE J R ， FROGGET B C ， et al . Optomechanical considerations for the VISAR diagnostic at the National Ignition Facility （NIF）［C］. SPIE Optics + Photonics. Proc SPIE 6289， Novel Optical Systems Design and Optimization IX ， San Diego， California， USA . 2006 ， 6289 ： 36 - 46 . doi: 10.1117/12.682172 http://dx.doi.org/10.1117/12.682172

CHEN Y J ， YANG Y Y ， ZHUO Y M ， et al . Research of Doppler velocity interferometer system for laser-driven shock wave ［C］. Photonics Asia. Proc SPIE 5638， Optical Design and Testing II ， Beijing， China . 2005 ， 5638 ： 210 - 215 . doi: 10.1117/12.573525 http://dx.doi.org/10.1117/12.573525

GOOSMAN D R ， AVARA G R ， PERRY S J . Efficient optical probes for fast surface velocimetry： multiple frequency issues for Fabry and VISAR methods ［C］. Proc SPIE 4183 ， 2001 ， 4183 ： 413 - 423 . doi: 10.1117/12.424305 http://dx.doi.org/10.1117/12.424305

BRIGGS M E ， HEMSING W F ， SHINAS M A ， et al . Improved probe and analysis for VISAR ［C］. Proc SPIE 5580 ， 2005 ， 5580 ： 609 - 616 . doi: 10.1117/12.584280 http://dx.doi.org/10.1117/12.584280

MILLER J E ， BOEHLY T R ， MELCHIOR A ， et al . Streaked optical pyrometer system for laser-driven shock-wave experiments on OMEGA ［J］. Review of Scientific Instruments ， 2007 ， 78 （ 3 ）： 034903 . doi: 10.1063/1.2712189 http://dx.doi.org/10.1063/1.2712189

GUBSKII K L ， KOSHKIN D S ， MIKHAYLYUK А V ， et al . Multipoint vernier VISAR interferometer system for measuring mass velocity in shock wave experiments ［J］. Physics Procedia ， 2015 ， 71 ： 212 - 216 . doi: 10.1016/j.phpro.2015.08.368 http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2015.08.368

MALONE R M ， CELESTE J R ， CELLIERS P M ， et al . Combining a thermal-imaging diagnostic with an existing imaging VISAR diagnostic at the National Ignition Facility （NIF）［C］. Optics and Photonics 2005 . Proc SPIE 5874， Current Developments in Lens Design and Optical Engineering VI， San Diego， California， USA . 2005， 5874 ： 87 - 94 . doi: 10.1117/12.619134 http://dx.doi.org/10.1117/12.619134

彭晓世，王峰，刘慎业，等 . 成像型任意反射面速度干涉仪研制［J］. 光学学报， 2009 ， 29 （ 11 ）： 3207 - 3211 . doi: 10.3788/aos20092911.3207 http://dx.doi.org/10.3788/aos20092911.3207

PENG X SH ， WANG F ， LIU SH Y ， et al . Development of an imaging velocity interferometer system for any reflector ［J］. Acta Optica Sinica ， 2009 ， 29 （ 11 ）： 3207 - 3211 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos20092911.3207 http://dx.doi.org/10.3788/aos20092911.3207

李金珂 . 成像型双灵敏度VISAR系统设计及精度分析［D］. 西安：中国科学院西安光学精密机械研究所， 2009 .

LI J K . System Design and Precision Analysis of Double Sensitivity Imaging VISAR ［D］. Xi'an ： Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics， Chinese Academy of Sciences ， 2009 . （in Chinese）

李俊，周显明，李加波，等 . 多通道辐射高温计与VISAR的联合诊断技术［J］. 高压物理学报， 2008 ， 22 （ 2 ）： 203 - 207 . doi: 10.3969/j.issn.1000-5773.2008.02.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-5773.2008.02.016

LI J ， ZHOU X M ， LI J B ， et al . A combined measurement with pyrometer and VISAR ［J］. Chinese Journal of High Pressure Physics ， 2008 ， 22 （ 2 ）： 203 - 207 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-5773.2008.02.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-5773.2008.02.016

彭晓世 . 成像型任意反射面速度干涉仪系统研制［D］. 成都：四川大学， 2008 . doi: 10.3969/j.issn.1005-5630.2008.01.013 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-5630.2008.01.013

PENG X SH . Development of Velocity Interferometer System for Imaging Arbitrary Reflecting Surface ［D］. Chengdu ： Sichuan University ， 2008 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1005-5630.2008.01.013 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-5630.2008.01.013

舒桦 . 强激光加载下准等熵压缩及材料强度特性研究和高时空分辨VISAR研制［D］. 北京：中国工程物理研究院， 2013 .

SHU H . Study on Quasi-isentropic Compression and Strength Characteristics of Materials under Intense Laser Loading and Development of VISAR with High Time-space Resolution ［D］. Beijing ： China Academy of Engineering Physics 2013 . （in Chinese）

舒桦，傅思祖，黄秀光，等 . 任意反射面速度干涉仪研制中的关键技术［J］. 中国激光， 2010 ， 37 （ 1 ）： 176 - 180 . doi: 10.3788/cjl20103701.0176 http://dx.doi.org/10.3788/cjl20103701.0176

SHU H ， FU S Z ， HUANG X G ， et al . Key techniques of velocity interferometer for any reflector ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2010 ， 37 （ 1 ）： 176 - 180 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl20103701.0176 http://dx.doi.org/10.3788/cjl20103701.0176

闫亚东，张法全，何俊华，等 . 神光-III原型装置用速度干涉仪的光学系统设计［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 11 ）： 2355 - 2361 .

YAN Y D ， ZHANG F Q ， HE J H ， et al . Design of VISAR optical system for Shen-Guang-III prototype ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 11 ）： 2355 - 2361 . （in Chinese）

GUAN Z Y ， LI Y L ， WANG F ， et al . Study on the length of diagnostic time window of CUP-VISAR ［J］. Measurement Science and Technology ， 2021 ， 32 （ 12 ）： 125208 . doi: 10.1088/1361-6501/ac29d4 http://dx.doi.org/10.1088/1361-6501/ac29d4

闫亚东，何俊华，许瑞华，等 . 复合式多点测量速度干涉仪光学系统设计［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2023 - 2028 . doi: 10.3788/ope.20172508.2023 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172508.2023

YAN Y D ， HE J H ， XU R H ， et al . Optical system design of compound multi-point measurement velocity interferometer ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2023 - 2028 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172508.2023 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172508.2023

周亚凡，赵军，张建 . 海面激光散射特性理论分析及测量方法研究［J］. 光电技术应用， 2006 ， 21 （ 4 ）： 31 - 34， 81 . doi: 10.3969/j.issn.1673-1255.2006.04.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1255.2006.04.009

ZHOU Y F ， ZHAO J ， ZHANG J . Academic analysis and measuring method research on scattering characters of offshore laser ［J］. Electro-Optic Technology Application ， 2006 ， 21 （ 4 ）： 31 - 34， 81 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-1255.2006.04.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1255.2006.04.009

薛谦忠，吴振森，李良超，掌亚军 . 激光引信目标近场散射特性理论研究［J］. 西安电子科技大学学报， 2000 ， 27 （ 5 ）： 594 - 596 .

XUE Q ZH ， WU ZH S ， LI L CH ， et al . Characteristics of detonator laser beam scattering from an object in the near field ［J］. Journal of Xidian University ， 2000 ， 27 （ 5 ）： 594 - 596 . （in Chinese）

YANG C P . Properties of laser scattering from the waved seawater surface ［J］. High Power Laser and Particle Beams ， 2002 ， 14 （ 4 ）： 526 - 530 .

耿志祥，陈遵田 . 考虑时间因子的激光引信海面散射模型［J］. 探测与控制学报， 2009 ， 31 （ 3 ）： 64 - 67 . doi: 10.3969/j.issn.1008-1194.2009.03.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1008-1194.2009.03.016

GENG Z X ， CHEN Z T . Sea surface scattering model of laser fuze taking account of time factor ［J］. Journal of Detection ＆ Control ， 2009 ， 31 （ 3 ）： 64 - 67 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1008-1194.2009.03.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1008-1194.2009.03.016

YANG C P ， Wu J . Study of laser scattering property for random cylinder surface ［J］. High power laser and particle beams ， 2001 ， 13 （ 5 ）： 521 - 524 .

张延冬，吴振森 . 二维粗糙海面的光散射及其红外成像［J］. 光学学报， 2002 ， 22 （ 9 ）： 1039 - 1043 . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2002.09.004 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.2002.09.004

ZHANG Y D ， WU ZH S . Light scattering and imaging of two-dimensional rough sea surface in the infrared ［J］. Acta Optica Sinica ， 2002 ， 22 （ 9 ）： 1039 - 1043 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2002.09.004 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.2002.09.004

李良超，吴振森，邓蓉 . 复杂目标后向激光雷达散射截面计算与缩比模型测量比较［J］. 中国激光， 2005 ， 32 （ 6 ）： 770 - 774 . doi: 10.3321/j.issn:0258-7025.2005.06.010 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0258-7025.2005.06.010

LI L C ， WU ZH S ， DENG R . Comparison of the back laser rader cross-section calculation of complex object with the measurement of scale-model ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2005 ， 32 （ 6 ）： 770 - 774 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0258-7025.2005.06.010 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0258-7025.2005.06.010

刘杭 . Sagnac干涉仪精密胶合装调平台关键技术研究［D］. 西安：中国科学院西安光学精密机械研究所， 2021 .

LIU H . Research on the Key Technology of Sagnac Interferometer Precision Adhesive Mounting and Adjusting Platform ［D］. Xi'an ： Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics， Chinese Academy of Sciences ， 2021 . （in Chinese）

周双，刘子建 . 光学系统装配误差分析及装调路径优选［J］. 机械设计与制造， 2022 （ 1 ）： 159 - 163， 167 . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2022.01.036 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2022.01.036

ZHOU S ， LIU Z J . The assembly error analysis of optical system and path optimization of alignment ［J］. Machinery Design ＆ Manufacture ， 2022 （ 1 ）： 159 - 163， 167 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2022.01.036 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2022.01.036

陈太喜，伍雁雄 . 航空机载紧凑型长焦距光学系统设计与装调［J］. 光子学报， 2021 ， 50 （ 11 ）： 212 - 222 . doi: 10.3788/gzxb20215011.1111002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20215011.1111002

CHEN T X ， WU Y X . Design and alignment of airborne compact long focal length optical system ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2021 ， 50 （ 11 ）： 212 - 222 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20215011.1111002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20215011.1111002

罗敬，王金鑫，鞠国浩，等 . 主动随机送风条件下大口径离轴三反光学系统的计算机辅助装调［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 7 ）： 802 - 812 . doi: 10.37188/OPE.20223007.0802 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0802

LUO J ， WANG J X ， JU G H ， et al . Computer-aided alignment for large-aperture off-axis three mirrors optical system with artificially random air flow ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 7 ）： 802 - 812 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223007.0802 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0802

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