大尺寸反射式光栅拼接技术的研究进展

大尺寸反射式光栅是提高天文光谱仪分辨率和啁啾脉冲放大系统输出能量的核心元件。随着天文和激光核聚变技术的发展,大尺寸反射式光栅的研制已成为国内外学者研究的热点。相较于单块大尺寸反射式光栅的研制,拼接法以其难度系数低、制作成本低和待拼接的小光栅易制作、质量高等优点成为了制作大尺寸反射式光栅的主要方法。本文介绍了大尺寸反射式光栅拼接技术的基本原理,详细综述了光栅拼接技术的研究进展,包括光栅拼接误差检测理论、光栅拼接误差分离、拼接光栅波前相位校正、光栅拼接误差维数的削减和光栅拼接装置,最后总结了光栅拼接技术的优缺点并指出了其未来的发展方向。     

机械式光栅拼接稳定性全闭环控制技术研究

激光惯性约束聚变对机械式拼接光栅的稳定性提出更高的要求,采用全闭环控制技术实现光栅拼接的高稳定性。为提高光栅装置的拼接精度,分析柔性机构的运动性能,从理论上推导精确的拼接机构运动控制算法;以电容微位移传感器作为反馈元件,研究动光栅位姿监测算法,实现动光栅位姿的实时监测。综合应用拼接机构运动控制算法和光栅位姿监测算法,实现光栅拼接稳定性的单神经元自校正PID全闭环控制;设计了光学检测系统,进行光栅拼接试验,并测试拼接装置的运动精度和稳定性,评估光栅拼接稳定性全闭环控制技术的可行性。试验结果表明拼接机构定位精度为0.2μrad/步(转动)、10 nm/步(平动),转动稳定精度小于1.2μrad/30 min、平动小于24 nm/30 min(平动),满足光栅拼接任务的要求。     

高精度大口径光栅拼接装置的控制算法

采用宏/微结合双驱动的少自由度并联进给结构,给出了一种光栅拼接装置设计算法.宏动部分是5PTS-1PPS型并联机构,采用步进电机驱动滚珠丝杠形式的进给机构;微动部分是5TSP-1PPS型并联机构,采用压电陶瓷驱动柔性铰链形式的进给机构;二者串联构成光栅拼接机构.计算了宏动部分和微动部分的并联机构自由度,利用并联机构运动学的逆解推导出该装置的控制算法,并根据控制算法进行了宏动、微动机构点位控制的运动学仿真.为了提高机构的定位精度,分析了机构的系统误差并提出了误差修正方法.最后,将以上算法应用到光栅拼接装置中.实验结果表明:宏动部分最大移动定位误差为3.6 μm,最大转动定位误差为4.4 μrad;微动部分最大移动定位误差为0.06 μm,最大转动定位误差为1.2 μrad;基本满足光栅拼接系统的精度要求.     

单基片多次曝光实现光栅拼接的理论分析

为减少光栅拼接过程中需要控制的物理量,提出了一种利用单基片多次曝光实现光栅拼接的理论方案。这种拼接方法不但降低了光栅拼接难度,而且还避免了拼接完成后小光栅间的相对移动。对该方案的原理进行了分析,并模拟计算了两块光栅在面内的拼缝和转动对远场光斑特性的影响,获得了无像差情况下光栅拼接的精度。     

大负载高精度光栅拼接柔顺并联机构的设计方法

由于加工工艺的限制,通常采用多块小口径光栅机械式拼接的方法来制备大尺寸光栅。为保证打靶成功,要求光栅拼接机构可以实现纳米级的运动精度。基于压电陶瓷驱动的柔顺并联机构可以达到纳米级的运动精度,但是柔性关节的引入降低了机构的承载能力。为解决柔顺并联机构中存在的“大负载”与“高精度”之间的矛盾,引入驱动与承载单元解耦的思想,基于约束设计法提出一种满足大口径光栅拼接机构大行程、大负载、高精度要求的新型光栅拼接柔顺并联机构,该机构具有刚柔混合、串并混联、三面正交、单点支撑、存在一条恰约束被动支链的特点。为实现光栅拼接机构的高精度运动,对设计的新型光栅拼接机构进行运动学分析,并搭建试验系统测试拼接机构的运动精度。试验结果表明利用所提设计方法设计的光栅拼接柔顺并联机构能满足拼接机构的任务要求。     

高精度衍射光栅干涉式测量系统的主要误差分析与仿真

设计了一种高精度位移传感器——衍射光栅干涉仪系统。该系统利用半导体激光器作为光源,衍射光栅作为长度标准,其光学原理可以利用多普勒效应来阐述。给出当光栅存在沿X向、Y向上的位移偏差和绕X轴、Y轴和Z轴的转动误差时,引起干涉条纹质量变化和测量误差的定量关系,为测量系统在实际应用中进行误差修正提供依据。经分析可知,光栅沿X轴(光栅运动方向)、Y轴(光栅刻线方向)和Z轴的偏移几乎不会导致条纹信号变化;当光栅沿着X轴旋转时,条纹方向和间隔均发生了变化;当绕Z轴旋转时,条纹间隔没有变化但是方向发生了变化;当沿X轴和Y轴旋转后,条纹位置分别向右和向下移动。光栅沿Z轴移动误差小于0.05mm,绕X轴和Z轴旋转误差小于0.002rad,绕Y轴旋转误差小于0.005rad时,满足测量范围为1000mm时,精度为±3μm测量的要求。     

基于光栅的快速精确图像拼接

为了提高IC芯片视觉检测中图像拼接的速度和精度,提出一种基于精密光栅运动系统的快速精确图像拼接技术。提出自标定技术解决了传统标定受标准件加工尺寸精度和光强影响的问题,提高了标定的准确度并降低了成本。在准确标定基础上,建立了基于光栅精确定位的拼接模型。实验表明,该方法拼接精度高,拼接平均误差在0.4 μm以内,2 σ为0.872 μm,达到亚像素级精度,而且拼接速度快,两幅图像拼接时间约为10 ms。     

子孔径拼接干涉的快速调整及测量

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求,提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响,分析显示:当子孔径干涉条纹数量少于5条时,干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化,提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法,实现了各个子孔径的零条纹测量,进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450mm×60mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量,结果表明:自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致;但前者测量速度及测量效率都有所提高,测量时间平均减少5min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整,还提高了测量重复性与检测效率。     

空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪

为了实现平面二自由度位移测量,设计并搭建了空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪,并对所设计的光栅干涉仪的光学结构、测量原理、面内旋转安装误差补偿等进行了研究。基于平面光栅衍射特性和空间分离式外差光栅干涉结构设计并搭建了具有对称性的测头光路,结合实际光学器件的特点,利用琼斯矩阵分析了二自由度测量原理与显著降低周期非线性误差的特性。通过实验测定了光栅面内旋转安装误差以便于应用旋转矩阵对测量数据进行解耦。随后利用矩形和圆形轨迹分别验证了两测量轴在各自和同时运动的情况下,所设计的平面光栅干涉仪的测量能力。实验结果表明,在解耦补偿0.350°的光栅实际面内旋转安装误差的前提下,该空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪能够实现压电位移台30μm内的位移测量,主要由机械振动等因素引起的误差不超过0.15μm。本研究将空间分离式外差光栅干涉仪的测量维度拓展到了平面二自由度。     

用拼接法获取大面积衍射光栅

近年来大面积衍射光栅已成为许多大型高技术工程项目的关键元件,它的获取方法也一直是光栅界探求的目标,本文简要回顾衍射光栅研制技术的发展历史,介绍了衍射光栅的发展趋势以及国内外研制大面积衍射光栅的技术现状,说明了拼接光栅的原理、方法以及利用这种方法来获取大面积衍射光栅的诸多优点.目前拼接光栅中各小光栅的衍射波阵面的位相还没有做到完全一致,要做到一致还需做很多工作,但用拼接手段来获取大面积光栅已是一种非常有效的方法.     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

基准圆光栅偏心检测及测角误差补偿

为了修正关节测试平台中由圆光栅安装偏心所产生的测量误差,建立了圆光栅偏心测角误差补偿模型并对安装偏心检测方法进行研究。首先,根据圆光栅测角与偏心参数间的几何关系,推导出圆光栅测量误差补偿模型。然后,描述了采用双读数头对比接收正弦信号间相位差,检测偏心参数的方法和原理;通过合成信号的李萨茹图形,检测出关节测试平台内圆光栅的偏心距及偏心方向。最后,根据所推导的偏心测角误差补偿公式对测试系统进行修正。对比实验结果表明:修正后的圆光栅测角精度大幅提高,测量精度提高了近5倍,满足关节测试平台的测量精度要求。     

变耦型时栅传感器及测头姿态对测量误差的影响

根据时栅传感器的测量原理,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准的变耦型时栅位移传感器以提高位移测量的精度。该传感器通过改变激励线圈和感应线圈的耦合状态输出感应位移变化的行波信号来实现精密位移测量。进行了建模和仿真,研究了不同测头姿态下传感器的位移误差特性,并对其进行了谐波分析,得到了不同测头姿态对位移测量误差各次谐波的影响规律。根据传感器模型制作了传感器并开展了验证实验。仿真和实验结果均表明:不同测头姿态对位移测量误差的影响主要体现在对测量误差的1次、2次和4次谐波上,且俯仰姿态引入的附加误差最大,其余测头姿态下引入的位移测量附加误差均较小。若保证较佳的测头姿态,传感器在定尺和动测头间气隙厚度为0.3mm时的原始误差约为±18μm。实验分析结果与仿真结果基本一致。     

寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度,研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理,建立了三维仿真模型,应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析,同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示:安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律,可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂,故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿,进而提高传感器的测角精度。     

全闭环数控回转轴定位精度研究

针对全闭环数控回转轴的关键检测元件—圆光栅的安装误差引起回转轴定位精度差的问题,基于圆光栅测量角度的工作原理,分析了圆光栅在安装时由于光栅定位端面的跳动误差对莫尔条纹的影响规律,推导出了相应的数学关系,建立了回转轴定位误差与光栅定位端面的跳动误差之间的数学模型.数值仿真表明当圆光栅出现端面定位安装误差后,回转轴回转一周,输出的莫尔条纹光强变化经历了一个周期,近似为一正弦曲线.针对上述理论分析,在加工中心回转轴C轴上进行了实验研究,结果表明,通过调整圆光栅端面的跳动误差从原来的70 μm到16 μm,利用高精密单频激光干涉仪对回转轴的定位误差进行了检测,两次测量的定位误差曲线均为正弦曲线,且回转轴的定位精度提高了3倍.研究结果表明,减小圆光栅定位端面的轴向跳动误差可有效提高回转轴的定位精度.     

多共振峰圆形光栅滤波器

提出了一种导模共振圆形光栅滤波器,以实现它在可见光范围内的多波段滤波。理论分析了圆形光栅滤波器在同一入射波偏振条件下形成多个共振峰的原因。通过微纳加工技术在硅基二氧化铪材料上实现了光栅层约为70nm的圆形光栅薄膜结构。利用一维线性光栅对圆形光栅的反射谱进行了模拟,通过角分辨微纳反射谱测试系统获得了该光栅滤波器在不同入射波偏振条件以及不同入射角时的反射谱。实验表明,在特定的光栅周期以及占空比条件下(如光栅周期350nm,占空比0.5),当线性偏振光正入射时,该圆形光栅滤波器形成了两个共振峰(505nm处和575nm处),与模拟结果基本符合。另外,光栅占空比相同时,随着光栅周期的增加,共振峰会向较长的波段偏移。实验显示:通过设计不同结构的亚波长圆形光栅,可以实现可见光范围内多个特定波段的滤波作用。     

闪耀透射光栅衍射规律的分析和验证

基于标量理论研究了不同槽形角,不同刻线密度的透射式闪耀光栅对使用波段的影响,推导了闪耀透射光栅的衍射光能量分布规律。分析证明了透射闪耀光栅在衍射能量最强方向上衍射光的衍射角与入射光的入射角之间的关系满足Snell定律。给出了入射角、衍射角与槽形角之间的关系式,研究了不同刻线密度和槽形角条件下衍射光能量分布的规律。对闪耀透射光栅进行了测量和比较,结果表明:已有闪耀透射光栅测量的结果与理论计算数据相吻合。制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)可调谐闪耀透射光栅,应用研究的理论公式测量了该闪耀透射光栅在拉伸与自由状态下的闪耀波长和光栅刻线密度,结果显示其波长测量误差在5nm以内。拟合了光栅的等效槽形,验证了实时监测PDMS光栅槽形和刻线密度随拉力大小变化的规律。     

光纤傅里叶变换光谱术在光纤光栅传感解调中的应用

介绍了光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理和光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的结构;基于光纤Mach-Zehnder干涉仪,采用傅里叶变换光谱算法对光纤Bragg光栅传感器的波长进行了解调。宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入光纤Bragg光栅,其反射光由耦合器返回进入到FFTS中进行测量,FFTS的最高光谱分辨率达到0.05 cm-1,即在近红外1 550 nm波长处分辨率为0.012 nm。分别对光纤Bragg光栅的应变特性和温度特性进行了测量。测量显示:光纤Bragg光栅的应变灵敏度为0.833 pm/με,温度灵敏度为19.78 pm/℃。得到的结果表明FFTS系统具有高分辨率、大测量范围的特点,可满足光纤Bragg光栅传感器波长解调的需求。