[发明专利]一种自适应光栅拼接误差控制方法

说明书

技术领域

本发明属于激光器领域，尤其涉及一种自适应光栅拼接误差控制方法。 

背景技术

衍射光栅，通常简称为“光栅”，一种由密集﹑等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件。它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散﹐再经成像镜聚焦而形成光谱。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，但其性能稳定，分辨率高，色散高而且随波长的变化小，因此衍射光栅不仅应用在光谱仪器上，在通信、计量、集成光学、信息处理以及激光核聚变等领域都有十分广泛的应用。 

近年来，由于啁啾脉冲放大(CPA)技术的应用，使得获得更高能量、更高强度的超短脉冲激光成为可能，采用啁啾脉冲放大技术的高能超短超强激光装置在终端均利用衍射光栅进行脉冲压缩，衍射光栅的光栅口径和损伤阈值是影响高能短脉冲激光装置(PW、EW装置)输出能力的两个重要指标。受限于材料技术、镀膜技术的限制，光栅损伤阈值现阶段不能大幅度提高，增大光栅口径成为提高高能短脉冲激光装置输出能力的必然选择。目前所能加工的光栅口径在米量级，但依然不能满足高能短脉冲激光装置的要求。单块大口径光栅不仅获取困难，而且成本高昂。为获得数千焦耳甚至更高的能量输出，需要米量级的大口径光栅，但由于大面积曝光、大面积刻蚀及大面积均匀镀膜等工艺技术上的困难，大口径光栅不仅价格高昂且不易获得，并且随着光栅口径的增大，其制造和使用过程中的面形将变得难以控制。光栅拼接技术的出现给增大光栅口径带来了一种新的技术选择，光栅拼接是将两块 以上的小光栅拼在一起作为一块大光栅使用，实现单一大光栅的功能，以克服光栅口径限制难题。 

要保证拼接后的光栅能够等效地替代单块大光栅进行激光脉冲的压缩，第二子光栅之间拼接误差精度要求很高(要求平移误差在纳米量级，旋转误差低于1μrad，拼接误差控制不好会造成脉冲展宽或焦斑分裂、远场功率密度下降，第二子光栅数目越多对拼接误差控制精度的要求就越高。影响光栅拼接误差的因素主要有：1)光栅拼接的监测、调整机构误差。这部分属于静态误差，光栅拼接的监测误差是由于监测仪器带来的误差，调整驱动误差是由于第二子光栅调整机构、驱动器引入的误差，这与调整机构有关。2)第二子光栅动态响应误差。在环境振动激励下，第二子光栅的动态响应不一致导致的拼接误差，这部分误差是控制的难点。3)第二子光栅时间漂移误差。由于环境温度的变化，装夹应力、蠕变的存在，光栅拼接误差随时间的变化。大口径光栅拼接的难点是在一定的环境条件下，把多自由度系统静态误差、动态误差、时间漂移误差控制在一定的范围内，纳米级的拼接误差要求是对诊断技术、调整机构精密调整技术、动态响应控制技术的极大挑战。 

美国OMEGA-EP装置就是基于光栅配对理论建立的拼接装置。它采用梁支撑结构，三块光栅可以根据入射光线角度不同进行大范围的调整角度，两边光栅相对中间光栅进行调整，通过修改倾角、转角和纵向位移，实现每个外侧栅片支撑框架的片对片调节只需三个电激励源。每个激励源都配有一个电容传感器形成闭环控制系统来控制它的位置。激励源位置允许误差为±4nm.不要求精确排列时，TGA正常安装，通过调整两个线性执行机构反复调节中间栅片的倾角和平面旋转得到利特罗角。用手调节光栅支撑梁下的三个螺丝钉改变倾角和平面旋转，使外侧栅片与中间栅片沟槽一致。最初的调节位置由干涉仪测量分析确定。两对电容传感器安装在光栅顶面和底面，监控调节位置随横向、纵向位移，倾角和平面旋转的变化。然后，通过分别补偿横向位移和平面旋转相对纵向位移和倾角的时间漂移，对调节位置进行实时控制。 这种方式较好的控制了光栅的拼接误差，但是其监测误差采用干涉仪近场检测或远场图像检测，干涉仪或远场监测方法需要附加光路，使光路空间结构变得复杂，并且由于第二子光栅口径较大，再加上光栅的装夹机构，第二子光栅调整起来非常不方便，尤其是实现高频的调整，因为这种控制技术难度大，拼接稳定性较差，并且图像处理速度受限，不利于闭环控制，调节第二子光栅时候的动态响应不足。 

综上所述，目前的光栅拼接误差控制方法基本都是直接控制拼接第二子光栅各自由度误差，这种控制方法技术难度大，拼接稳定性较差，动态响应不足，且检测机构复杂。 

发明内容