| 摘要 | 衍射光栅是一种纳米级精度的光学元件,其兼具色散、偏振和相位匹配等性能,广泛应用于国防、军事、航空航天、天文以及民用等领域。衍射光栅制造技术是当今最为精密的技术之一。对于槽形要求苛刻的低刻线密度红外激光光栅和绝大多数中阶梯光栅,一般均采用机械刻划法制作。光栅刻划机的定位精度是制作高质量衍射光栅的前提;光栅的波前质量是光栅的一项重要的光学性能指标,它影响着光栅的光谱成像特性。鉴于此,本论文受国家重大科研装备研制项目“大型高精度衍射光栅刻划机研制”以及973计划“大面积光栅纳米精度制造中的基础问题研究”的资助,从提高刻划光栅质量入手,探索光栅刻划机定位精度提高和光栅衍射波前质量校正的方法,主要从刻划机机械系统的结构和工作原理的阐述、微定位控制系统控制器设计、测量系统引起的刻线误差和光栅镀膜均匀性引起的基底面形误差对光栅衍射波前影响等几个方面做了深入研究。第一,通过刻线误差模型给出了刻划机定位精度指标;分析了大型衍射光栅刻划机机械系统的机械结构、机械精度和运行原理,论证该刻划机设计的合理性。第二,采用“灰箱”建模法建立了微定位系统的数学模型;通过对数学模型特性的研究,设计了包括PID控制加前馈控制的复合控制器;通过仿真和实验研究,验证了设计的控制器满足光栅刻划机纳米级定位的指标要求。第三,推导出了锥面衍射下的刻线误差和基底面形误差对光栅任意衍射级次衍射波前的数学表达式,给出了刻线误差和基底面形误差与光栅衍射波前的数学模型;第三,设计了大型衍射光栅刻划机的测量光路;分析了现有测量系统光路结构产生余弦误差的原因并提出了减小测量系统余弦误差的方法;第四,分析了现有测量系统光路结构产生阿贝误差的原因,建立了测量系统阿贝误差与衍射波前质量之间的数学模型并进行仿真分析,提出了测量系统阿贝误差的测量方法,并对阿贝误差进行校正,通过实验验证了所提出的阿贝误差测量和校正方法的可行性;第五,分析了大型衍射光栅刻划机大气环境误差对测量系统折射率的影响,提出了大气折射率的测量方法,建立了大气折射率引起的刻线误差与衍射波前质量之间的数学模型并进行了仿真分析,对大气折射率引起的刻线误差进行校正,运用实验方法验证了校正方法的准确性。第六,结合镀膜机的工作原理分析了镀膜不均匀产生的原因,推导出不同镀膜区域的膜层均匀性公式,并建立膜层镀制均匀性与光栅衍射波前之间的数学模型;通过对镀膜均匀性理论分析的结果指导镀膜机结构参数的调整使得膜层均匀性满足指标要求;仿真分析了镀膜均匀性对光栅衍射波前质量的影响,并通过光栅刻划实验论证了膜层镀制均匀性的改善能够有效的提高了光栅的衍射波前质量。 |
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