自适应光栅拼接技术研究

This project propose a new method of getting large aperture grating to satisfy the requirement of high energy short pulse laser faciligy.The size of grating is an important indexe that limit the output ability of the high-energy ultra-short pulse laser facility,Tiling multiple small-scale gratings coherently to form a tiled grating as a substitute for a larger single one is one way to get large size grating. However, an ideal tiled grating requires that identical small scale gratings are added with no orientation or position errors. Considering the ambient vibration and temperature, it is impossible to achieve the two adjacent small-scale gratings with no orientation and position errors. Adjust tiled grating technology is proposed in this project,which is the tiled error between the small-scale gratings is compensated by a high speed moving small size mirror positioned at the front end of the high energy short pulse laser faciligy,the diffcult of the stability control of tiled grating turn to the controlling of the high speed moving mirror,which is less diffcult to achieve.In this project, the influence of large aperture gratings caused by ambient factor, the compensate coefficient between tiled sub-aperture gratings and high speed mirror and the control mode will be researched in theory. The adjust tiled grating technolgy will be validated by experiment in this project.This project relate to the development of ultra-short high energy laser facility and will promote the development of ultra-short high energy laser faciligy.

本项目针对高能短脉冲激光装置研制目前急需的大口径光栅提出新的获取方案。光栅口径是影响高能短脉冲激光装置输出能力的一个重要指标，光栅拼接是增大光栅口径的主要技术途径之一。 现有光栅拼接技术难点在于拼接子光栅之间5个自由度方向上拼接误差的精确控制，在外界激励因素（环境振动、温度等）作用下，保持大口径光栅拼接误差的长时间稳定是当前世界范围内光栅拼接研究面临的主要难题。本项目提出的自适应光栅拼接技术把拼接的子光栅做成固定式光栅，子光栅间的拼接误差通过在预放注入端放置的小口径快速反射镜进行补偿，光栅拼接稳定性控制的难题转移成了对快速反射镜的控制，技术难度大大降低。理论上，将重点研究环境因素对大口径光栅的影响，研究大口径光栅拼接误差与快速反射镜间的补偿系数，建立控制模型。实验上，将对自适应拼接技术方案进行验证。该项目紧密结合超短高能激光装置发展需求，将对今后超短激光装置发展起到深远的影响。

光栅口径是影响高能短脉冲激光装置输出能力的一个重要指标，光栅拼接是增大光栅口径的主要技术途径之一。现有光栅拼接技术难点在于拼接子光栅之间5个自由度方向上拼接误差的精确控制，在外界激励因素作用下，保持大口径光栅拼接误差的长时间稳定是当前世界范围内光栅拼接研究面临的主要难题。因此研究光栅拼接稳定性控制方法，对增大光栅拼接口径，提高高能短脉冲激光装置输出能力具有重要意义。.本项通过改进光栅拼接稳定性控制方式，降低稳定性控制难度，实现大口径光栅拼接。项目提出自适应光栅拼接技术，即把拼接的子光栅做成固定式光栅，子光栅间的拼接误差通过在预放注入端放置的小口径快速反射镜进行补偿，光栅拼接的难题转移成了对快速反射镜的控制。项目对自适应光栅拼接进行理论分析和实验验证，为实现大口径光栅拼接工程应用提供理论基础和技术支持。项目完成的研究内容及取得的研究成果如下：.1、环境因素对光栅拼接稳定性影响分析。结合已有大口径光栅拼接系统，建立了试验测试平台，对光栅拼接稳定性进行了监测。影响光栅拼接稳定性的因素包括环境振动和环境温度变化，其中环境振动主要引起拼接光栅的高频振动（＞1Hz），环境温度变化主要影响低频漂移。环境振动主要的激励因素为暖通空调运行导致的振动，环境振动控制是提高光栅拼接高频稳定性的重点。从光栅拼接误差试验情况来看，光栅拼接稳定性具有明显的时间和空间特性，针对这一特性，提出自适应光栅拼接稳定性控制方法，即时间稳定性通过小口径反射镜进行补偿，空间稳定性通过提高拼接系统的刚性进行控制。.2、自适应光栅拼接稳定性控制理论研究。从理论上分析光栅拼接误差对最终输出效果的影响，结合光栅拼接误差配对补偿理论，从理论上证明了自适应光栅拼接稳定性控制是可行的。.3、光栅拼接稳定性在线监测方法研究。研究了通过电容传感器和光栅尺监测光栅拼接误差的可行性，研究了多自由度误差解耦及控制，设计了光栅拼接传感器的布置方式，并通过试验证明光栅拼接在线误差监测的可行性。.4、自适应光栅拼接技术试验研究。搭建了自适应光栅拼接控制研究验证平台，试验证实通过小口径反射镜补偿大口径光栅拼接误差的可行性，并对其适用条件进行了验证，试验证明该方法可有效降低光栅拼接误差控制难度，尤其是对光栅拼接时间稳定性的控制。.项目圆满完成了预期研究目标及研究内容，项目取得的研究成果对大口径光栅拼接实现具有重要的帮助。