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基于干涉法的光栅拼接误差检测技术研究

【摘要】:大尺寸平面衍射光栅是用于天文光谱分析、激光惯性约束核聚变等领域的重要光学元件。而单块大尺寸平面衍射光栅的制备存在诸多技术难题需要突破,因此将两块或者多块小光栅拼接起来使其满足使用要求成为制备大尺寸光栅的发展趋势。决定拼接光栅能否投入使用的关键是拼接误差的精度是否能够达到使用要求,因此拼接误差的检测与光栅姿态调整的精度显得尤为重要。近十几年中,国内外学者以远场光斑法或远场光斑法结合干涉法检测并调整光栅拼接误差,使远场光斑能量满足使用要求。但是当因光栅波前和光学系统像差而产生的波前差较大时,光斑检测法存在较大的测量误差,拼接的光栅未必能满足使用要求。因此,直接对拼接光栅进行检测是拼接光栅能够投入使用的前提,光栅拼接的直接检测法是利用干涉法检测拼接光栅的波前。基于此,本文对基于干涉法的光栅拼接误差检测技术进行了深入研究,通过对拼接光栅波前的测量计算拼接误差指导光栅姿态的调整。具体研究工作如下:第一,根据弗朗禾费积分原理和干涉原理分别建立了光栅拼接误差与远场光斑能量分布和衍射波前关系的理论模型,仿真分析了理想情况和存在波前差时拼接误差对干涉条纹和远场光斑能量分布的影响,对比分析了这两种检测方法的仿真结果,最终选择干涉法作为本文的拼接误差检测方法。第二,设计了基于干涉法的光栅拼接误差检测光路,采用楔形镜结构消除零级光测量时Δz测量的不确定性,实现光栅的严格拼接。利用三步法实现五维拼接误差的检测,第一步利用零级光检测拼接误差Δθx、Δθy,第二步利用零级光的测量窗和楔形镜结构产生的参考窗检测拼接误差Δz,第三步检测拼接误差Δθz、Δx。根据三步法的调整过程,分别用Matlab进行原理性仿真验证,用ZEMAX进行实际光路仿真验证,结果表明两者具有非常好的一致性,说明理论正确,方法可行。第三,依据干涉仪测量的零级和衍射级波前数据,采用最小二乘拟合算法,计算光栅的零级和衍射级拼接误差波前,建立了零级拼接误差波前与拼接误差Δθx、Δθy、Δz的计算矩阵及衍射级拼接误差波前与拼接误差Δθz、Δx的计算矩阵。通过上述计算过程,可以计算出五维拼接误差Δθx、Δθy、Δθz、Δx、Δz的数值解。第四,采用Labview依据拼接误差模型计算方法编写了五维拼接误差计算程序,程序分三部分模块:分别是Δθx、Δθy计算模块,Δz计算模块,Δθz、Δx计算模块。程序实现的功能是读取干涉系统测得的波前值并计算Δθx、Δθy、Δθz、Δx、Δz的数值解。为了验证计算方法的正确性及软件的实用性,以ZYGO干涉仪作为测量系统测量拼接光栅的波前,并用软件计算拼接误差结果,与理论情况下拼接误差产生的干涉条纹作对比,结果表明提出的拼接误差计算方法正确,软件功能满足实际使用需要。第五,根据拼接光栅的指标要求,进行了光栅拼接误差的精度分析,并以各维度的精度分析结果推导拼接系统各元器件参数,依据元器件的参数要求确定实验器材。第六,通过设计的光栅拼接系统,在线测量拼接误差并指导促动器和压电陶瓷调整光栅姿态,实现光栅的严格拼接。完成了两块尺寸为35mm×35mm、刻线密度为600line/mm、波前为1/3λ小口径光栅的拼接,拼接后光栅的波前为1/2λ,,为接下来利用拼接制备真正意义上的大口径平面衍射光栅打下了基础。

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