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有像差系统的曝光拼接光栅关键技术研究

【摘要】:脉冲压缩光栅是超强超快激光系统中的关键元件。随着强激光系统不断升级,啁啾脉冲压缩系统对大面积光栅有急迫的需求。在单次曝光获取大口径光栅能力有限的情况下,全息光栅曝光拼接法成为获取大口径光栅的有效手段。由于脉冲压缩光栅对衍射波面的要求极其苛刻,大口径全息曝光系统的稳定性和像差已经成为进一步提高拼接光栅口径需克服的主要问题。本文详细阐述了大面积光栅的应用背景和研究状况,指出了大面积脉冲压缩光栅设计与制造的重要性。对几种主要光栅拼接方法进行了介绍,分析了各种光栅拼接方法的优缺点。光栅远场衍射光斑能量分布是评价拼接光栅的主要依据。根据基尔霍夫衍射理论,模拟了光栅拼接误差对衍射波面及其远场衍射光斑能量分布的影响。通过模拟波面像差,得到了对准拼接波面PV值、拼接处波面误差均方根值。对大量拼接波面及远场衍射光斑特性统计分析后,得到了有像差情况下的光栅拼接精度要求,为后续光栅拼接实验提供了评价参考。为使远场衍射光斑能量分布更好,提出了波面并列拼接法。对并列拼接波面峰谷值和远场衍射光斑能量分布也进行了统计分析。虽然对于某种波面像差而言,无法确认哪种拼接方法更好。但是统计数据表明,并列拼接波面PV值更小,远场衍射光斑能量分布情况更好。基于潜像光栅拼接法,对大口径光栅拼接系统误差、稳定性进行了研究,为此设计了三维条纹锁定系统。针对波面像差导致干涉条纹扭曲现象,提出了三种条纹锁定方案。通过实验表明光场光栅与参考光栅之间的周期、相位和倾斜角误差不断随环境变化。测试了三维条纹锁定系统对干涉条纹的锁定效果,结果表明全息曝光系统的稳定性和曝光对比度均得到了提高。基于大面积光栅拼接,提出了有像差情况下的光栅拼接方法,分析了像差导致光栅拼接误差的原因,提出了曝光系统像差测量方法,用预制参考干涉条纹补偿像差产生的拼接误差。为提高光栅远场衍射光斑能量,设计了光栅对准拼接和并列拼接两种实验方案,并进行了模拟光栅拼接。在不同像差情况下,利用三维条纹锁定系统进行了多次光栅拼接。结果表明:曝光系统像差对光栅拼接误差有影响,参考条纹预制法补偿了系统像差带来的拼接误差,光栅拼接精度优于0.05λ。最后验证了并列拼接光栅远场衍射光斑能量分布可能比对准拼接更好。

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