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大口径精密光栅拼接系统研究

【摘要】:啁啾脉冲放大(Chirped-Pulse Amplification,简称CPA)是迄今实现超短脉冲激光能量放大的重要技术方案之一。然而CPA压缩池中光栅的损伤阈值和口径限制了输出脉冲的能量。目前性能最好的光栅是多层电介质(MLD)全息光栅,但其很难被加工到米量级的大尺寸,所以各国的研究者们大多采用了光栅拼接的方法来获得大口径光栅,以提高输出脉冲的能量。精密阵列光栅的拼接精度及其时空稳定性是提供高质量的脉冲光束和提高压缩器装置性能的重要保障。针对某型激光压缩器中阵列光栅的应用需求,本文对大口径精密光栅拼接系统展开研究。探讨了基于空间共面理论的非连续平面相对位姿实时检测控制理论和方法,考察了环境激励与阵列光栅稳定性的关系,设计了高稳定的光栅拼接系统,并制作了样机进行性能实验研究。主要研究内容如下:1.在研究阵列光栅配对误差补偿关系的基础上,根据空间共面原理,提出了一种基于矢量误差抑制原理的非连续独立有界平面相对位姿检测方法,分析了该检测方法对检测装置零点漂移误差的抑制水平和检测稳定性,为机电式子光栅相对位姿检测提供了理论基础。2.设计了包括支撑结构、检测方法、反馈控制在内的一整套精密光栅拼接系统。论文首先确定了光栅拼接系统的总体方案,并将其机械结构和电气控制系统许用误差划分为3级进行误差分配;拼接装置的主体结构采用了后立板和4面体桁架相结合的光栅支撑架,使装置的振动响应最大位置不出现在光栅面上,并获得可接受的固有频率;采用了基于矢量误差抑制原理的非连续独立有界平面相对位姿测量方法对子光栅的空间相对位姿进行检测,以此作为反馈控制的依据;用锁存补偿法和四点中心差分法对增量式PID控制算法进行改进,提高了光栅拼接控制系统的响应速度和抗干扰能力。3.通过两个方面的分析,明确了光栅拼接装置稳定性的设计方向:一方面,对阵列光栅的使用环境进行测试,以获取使用环境下的振动激励和温度载荷数据,以实验环境测试数据为依据,分析了环境影响因素与阵列光栅稳定性之间的关系及其作用形式;另一方面,从光栅方程的一般形式出发,分析了激光压缩池环境下光栅偏转角度对光束指向的影响。4.用动刚度方法确定了光栅拼接装置结构稳定性的薄弱环节,并对相关参数进行优化设计,以提高拼接装置的结构稳定性;用微分法对光栅拼接装置的传动链进行分析,通过对传动机构的优化设计降低装置在绕X转动方向的误差传递系数,以提高其传动稳定性。5.制作了2×1光栅拼接系统样机,并进行了性能测试实验。对于子光栅间的相对位姿,将机电式检测结果与光斑检测计算结果相对比,验证了基于矢量误差抑制原理的机电式测量方法对独立非连续有界平面相对位姿进行测量的检测性能;通过考察两光斑相对距离的变化对光栅位姿进行计算,验证了光栅装置的自身稳定性能;通过比较控制程序开启与否状态下的光栅稳定性,验证了光栅拼接系统的实时稳定性性能和控制方法性能。阵列光栅的稳定性关系到CPA激光压缩池打靶成败的重要因素之一,本文提出的非连续独立有界平面相对位姿检测方法和制作的光栅拼接系统对提升大口径阵列光栅的稳定性具有重要的参考意义。

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