[发明专利]拼接光栅位移偏差监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及光栅，特别是一种对应用于高功率激光系统中的拼接光栅位移偏差监测系统。

技术背景

在激光核聚变项目中，为获得几十fs(飞秒)或者几个ps(皮秒)的短脉冲高功率激光输出，需要使用大面积的光栅来对激光脉冲进行压缩，由于技术原因，直接制作大口径衍射光栅既困难又不经济，目前，一种替代的方法是采用光栅拼接手段来获得大口径的衍射光栅，所谓光栅拼接，是将几块具有相同参数的子光栅，通过精密的空间位置调整，使其相互间的位相差足够小或者同位相，从而相当于一块完整的光栅。

要实现大面积的光栅拼接，关键在于实现各子光栅间极高的共面精度与光栅拼缝间隔的稳定性，要求各子光栅间的共面精度应保持在几十个nm量级以内，光栅之间的拼缝间隔小于子光栅刻线宽度的1/10，即几十个nm范围内。我们目前采用的光栅拼接装置包括精调装置平台9和粗调装置平台10两部分，先进行粗调，锁定后的偏差在精调装置平台9的有效调节范围之内，再由精调装置平台9作进一步调整，精调装置平台9是以柔性铰链作为运动副，压电陶瓷作为驱动器的微位移平台构成。

以两块光栅拼接为例，其光栅拼接装置结构示意图如图1所示：第一子光栅G1安装在粗调装置平台10上，作为基准光栅，精调装置平台9由上下两层平台构成，下层平台91具有两维平动及一维转动调节，上层平台92安装在下层平台上，包含两维转动调节，第二子光栅G2安装在上层平台92上，第一子光栅G1、第二子光栅G2之间的共面精度偏差为S，拼缝间隔为L。

根据光栅拼接中的调整精度要求，拼接装置除了要具有亚微米级的运动分辨率之外，还必须具有很高的稳定性，即在拼接过程中将光栅调节至理想位置(光栅共面精度偏差为S₀，拼缝间隔为L₀)后，保持其位移变化在允许的范围(小于20nm)内，因此拼接装置应该具有较大的刚性，以减弱外界干扰的影响。但是实验结果表明，由于压电陶瓷驱动器本身具有的迟滞、蠕变等特性，精调装置平台2的在水平和垂直方向上的位移输出偏差会随着时间的变化而缓慢变化，最终都只能达到微米量级，无法满足光栅拼接的定位的稳定性要求，从而严重影响激光脉冲的空间特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有子光栅相对位置随时间变化的问题，提供一种拼接光栅位移偏差监测系统，要求该系统能够保障所述的拼接光栅的长时间定位稳定性优于15nm，并且具有测量性能稳定、成本低、结构简单、操作方便等特点。

本发明的技术解决方案是：

一种拼接光栅位移偏差监测系统，包括供安装拼接光栅的光栅拼接装置，该光栅拼接装置由粗调装置平台和精调装置平台组成，所述的粗调装置平台具有锁定结构，所述的精调装置平台由底层平台和上层平台构成，该精调装置平台安装有压电陶瓷驱动器，该压电陶瓷驱动器由水平压电陶瓷驱动器和竖直压电陶瓷驱动器组成，水平压电陶瓷驱动器驱动该精调装置平台相对于所述的粗调装置平台的水平位移，所述的竖直压电陶瓷驱动器驱动该精调装置平台的上层平台垂直位移，其特征在于：

第一电容式数字微位移传感器的两极板相对地分别安装在所述粗调装置平台和精调装置的底层平台水平方向的位置，第二电容式数字微位移传感器的两极板相对地分别安装在所述精调装置的底层平台和上层平台的垂直方向的位置；

所述的第一电容式数字微位移传感器和第二电容式数字微位移传感器的输出端接信号采样电路的输入端，该信号采样电路的输出端接单片机控制器的输入端，该单片机控制器的输出端经串口通讯电路接PC机，该PC机的输出端经D/A转换器与所述的压电陶瓷驱动器的控制端相连。

所述的拼接光栅由第一子光栅和第二子光栅构成，所述的第一子光栅安装在所述的粗调装置平台的水平面上，当粗调装置平台锁定后作为基准光栅，第二子光栅子安装在所述的精调装置平台的上层平台的水平面上。

所述的信号采样电路为电容数字转换器。

由于压电陶瓷驱动器本身具有的迟滞、蠕变等特性，精调装置平台在水平与垂直方向的位移输出不能保持稳定，而是随着时间变化，位移偏差不断增大，此时光栅拼缝间隔L与第一电容式数字微位移传感器的极板间距产生同样变化量，而共面精度偏差S则与第二电容式数字微位移传感器的极板间距产生同样变化量，因此需要分别测量第一电容式数字微位移传感器和第二电容式数字微位移传感器的极板间距变化量，即可同时求得拼接光栅的拼缝间隔L与共面精度偏差S的变化量。