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大口径阵列光栅拼接误差控制技术研究

【摘要】:在惯性约束聚变快点火、高能量密度物理研究的需要下,提高单路短脉冲激光的输出能量、峰值功率成为无数科研人员追求的目标。啁啾脉冲放大技术的应用为提高单路短脉冲激光峰值功率提供了可能。采用啁啾脉冲放大技术的短脉冲激光装置,需要在终端使用衍射光栅对激光脉冲进行压缩,压缩光栅的口径和损伤阈值是限制短脉冲装置输出能力提高的瓶颈。就目前的技术而言,单块大口径光栅不仅制作技术难度高、而且成本高昂,光栅拼接被认为是最经济、有效获取大口径光栅的技术途径。 通过光栅拼接获取大口径光栅在理论上已经被证实是可行的措施,但在实际的工程建设中难度很大,其难点在于光栅拼接误差精度的控制和稳定性的保持。论文主要根据光栅拼接对稳定性的极高要求,对光栅拼接稳定性控制技术进行了研究。 论文采用对子光栅进行高精度闭环控制来实现光栅拼接稳定性的控制,采用电容传感器作为光栅拼接误差的检测手段、采用压电驱动器作为补偿手段。首先根据光栅拼接闭环控制的调整要求,对电容传感器和压电驱动器的位置进行优化,以提高整体结构的刚性和控制系统的便捷性,Δ和L形是两种常用的驱动器布置方式,从优化结果来看,L形布置可以避免多自由度联动,同时可以降低控制难度。其次根据压电理论和机械振动理论简化了光栅拼接系统,建立了光栅拼接系统的三自由度机电动力学模型,提出了多输入多输出系统的传递关系,对压电驱动器采用了PID和模糊控制算法进行了MATLB仿真,仿真结果表明,模糊控制算法比PID控制算法具有更好的控制性能;最后,采用计算机结合PI控制箱、光栅拼接装置等组成的控制系统,运用Visual C++6.0开发的控制软件,对拼接装置进行了控制实验,得到了PID参数优化组合为Kp=0.2,Ki=0.035,Kd=0.02。并对两种控制算法下的传感器数据进行了分析,分析结果表明,模糊控制算法具有精度高、快速性好等优势。 从光栅拼接的实验结果来看,采用模糊控制算法可以提高光栅的稳定性,拼接误差可以控制在±30nm,并且可以长时间保持稳定,实验表明该方法可以有效的提高光栅拼接的稳定性,可以在实际的工程建设中得到应用。

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