大口径光栅机械拼接机构的关键特性分析

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文空间上的压缩，利用压缩后获得的高能激光束轰击靶心来产生核聚变，所用衍[10]射光栅的口径已经达到了750mm×940mm。1.2获取大口径光栅的方法1.2.1方法比较自从罗兰制作出第一块光栅后，其制造已有百年的历史。光栅技术的进步[11,12]经历了几次大的改进，每次改进都依赖于理论上的突破和技术上的进步。大口径光栅的研制一直是国际光栅领域的重大课题之一，同时也是技术难点。要获得大口径光栅，人们很自然的想到只要研制出大光栅刻划机就会很容易刻划出大光栅来。美国理查森光栅实验室使用如图1-1所示的MIT-II型光电控制

2、刻划机可以刻划出衍射光栅的最大口径为400mm×600mm，这是目前世界[13]上利用刻划机所能刻制出的最大口径的衍射光栅。图1-1光栅刻划机外形图Fig.1-1RulingengineofMIT-II可见采用刻划的方法远远不能满足对大口径光栅的需求。而且研制最大刻划尺寸的刻划机，不但投入的人力多、资金大、周期长，即便研制出大光栅刻划机也不一定能刻出大尺寸光栅来，因为还要解决镀膜均匀性的问题。在近21m的面积上蒸镀出厚度均匀性误差小于1%的膜层，是很难实现的。另外，还要解决高精度自动换刀问题，由于刻划面积大，刀具磨损严重，必须用几把刀才能刻制出

3、高质量的光栅。这就要求每把刀具必须要实现纳米级定位精度的自[14]动换刀，这样困难就会更大。针对研制大光栅刻划机的诸多困难，国外光栅专家开始探索采用其它手段-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文来获取大口径衍射光栅。采用拼接技术获取大口径光栅的方法引起了国际光栅界的关注。所谓拼接方法就是把两块或多于两块的光栅放在一起，使相互间的位相差足够小，达到一块完整光栅的精度，进而当作一块光栅使用。光栅拼接[15]技术的问世大大推动了大口径衍射光栅的研制进程。采用拼接技术制取大口[16]径光栅，不仅避免了直接刻划大光栅的许多困难，而且还有以下优点：（1）小口

4、径刻划光栅的制取比大口径刻划光栅的制取相对容易得多，而且易于获得同参数下的高衍射效率；（2）多块小光栅的制造成本低于一块大光栅的制造成本。同时，要实现大口径光栅拼接，还要解决两个关键问题：（1）子光栅间共面精度及各光栅栅线间平行性的实现。各光栅间共面精度应保证在几十纳米的数量级，而且栅线间的平行精度也应保证在0.1s之内；（2）拼接光栅衍射波阵面间的位相差要不大于子光栅本身的位相差。1.2.2国内外拼接大口径光栅的研究现状采用拼接技术制取大口径光栅的常用方法有：用夹具来保证各光栅间的相对位置关系；用主动控制的方法实现光栅的精确定位；用复制的方法

5、将多个光栅复制到同一底板上，通过手动调整螺钉来调整光栅位姿等三种方法。（1）国内发展情况[15]1985年，南京天文仪器中心的陶庆陞发表文章介绍了拼接光栅时相邻光栅间相位与潜线轮廓的关系、相位拼接的装置以及相位检测的方法。2000年，长春光学精密机械与物理研究所的赵博等人，用设计出的微动结构对两块[17]70mm×70mm的光栅进行了拼接实验，实验装置如图1-2所示。a)侧视图b)主视图图1-2微调结构台Fig.1-2Fineturningstage2006年，清华大学采用手动调整角度与压电陶瓷驱动调整平动相结合的方-3-哈尔滨工业大学工学硕士

6、学位论文[18]法实现了两块20mm×30mm的光栅拼接，并取得了良好效果。（2）国外发展情况加拿大、美国、日本、俄罗斯等国在光栅拼接领域处于国际领先地位。1966年，加拿大DAO天文观测中心采用纯机械的装夹微调机构，实现了四块面积为165mm×190mm的衍射光栅的拼接，但存在着调节困难和微调精度低等缺点。1970年，该中心的G.A.Brealay等人在原有结构的基础上增加了精密调整机构——Machelso片簧，用以实现精密定位，从而实现了由四块[16,19]165mm×320mm衍射光栅拼接成的320mm×660mm的大口径光栅。每次使用前

7、调整方便而且该系统具有相对较高的稳定性。美国里查森光栅实验室的E.Laevlin等人分别于1995年和1997年，利用复制的方法将一块面积为220mm×420mm的光栅复制成两块，然后再通过微定位技术把这两块光栅拼接好，从而拼接出了一块尺寸为220mm×840mm的大口径[20]光栅，光栅拼接机构如图1-3a所示。1999年，该实验室又研制出由两块子[21]光栅拼接出的大口径衍射光栅的尺寸为420mm×650mm，实验结果如图1-3b所示，从图中可以看到清晰的衍射条纹。a)制作大口径光栅的拼接机构b)光栅拼接实验照片图1-3里查森光栅实验室制作

8、的拼接光栅Fig.1-3ThemosaicgratingsmadebyRichardsongratinglaboratory2图1-4所示为美国罗切斯