大口徑精密光柵拼接系統(tǒng)研究.pdf

1、啁啾脈沖放大(Chirped-Pulse Amplification,簡稱CPA)是迄今實現(xiàn)超短脈沖激光能量放大的重要技術(shù)方案之一。然而CPA壓縮池中光柵的損傷閾值和口徑限制了輸出脈沖的能量。目前性能最好的光柵是多層電介質(zhì)（MLD）全息光柵，但其很難被加工到米量級的大尺寸，所以各國的研究者們大多采用了光柵拼接的方法來獲得大口徑光柵，以提高輸出脈沖的能量。精密陣列光柵的拼接精度及其時空穩(wěn)定性是提供高質(zhì)量的脈沖光束和提高壓縮器裝置性能的重要

2、保障。
　　針對某型激光壓縮器中陣列光柵的應(yīng)用需求，本文對大口徑精密光柵拼接系統(tǒng)展開研究。探討了基于空間共面理論的非連續(xù)平面相對位姿實時檢測控制理論和方法，考察了環(huán)境激勵與陣列光柵穩(wěn)定性的關(guān)系，設(shè)計了高穩(wěn)定的光柵拼接系統(tǒng)，并制作了樣機(jī)進(jìn)行性能實驗研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　1.在研究陣列光柵配對誤差補(bǔ)償關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)空間共面原理，提出了一種基于矢量誤差抑制原理的非連續(xù)獨(dú)立有界平面相對位姿檢測方法，分析了該檢測方法對檢測

3、裝置零點漂移誤差的抑制水平和檢測穩(wěn)定性，為機(jī)電式子光柵相對位姿檢測提供了理論基礎(chǔ)。
　　2.設(shè)計了包括支撐結(jié)構(gòu)、檢測方法、反饋控制在內(nèi)的一整套精密光柵拼接系統(tǒng)。論文首先確定了光柵拼接系統(tǒng)的總體方案，并將其機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)許用誤差劃分為3級進(jìn)行誤差分配；拼接裝置的主體結(jié)構(gòu)采用了后立板和4面體桁架相結(jié)合的光柵支撐架，使裝置的振動響應(yīng)最大位置不出現(xiàn)在光柵面上，并獲得可接受的固有頻率；采用了基于矢量誤差抑制原理的非連續(xù)獨(dú)立有界平面相

4、對位姿測量方法對子光柵的空間相對位姿進(jìn)行檢測，以此作為反饋控制的依據(jù)；用鎖存補(bǔ)償法和四點中心差分法對增量式 PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了光柵拼接控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力。
　　3.通過兩個方面的分析，明確了光柵拼接裝置穩(wěn)定性的設(shè)計方向：一方面，對陣列光柵的使用環(huán)境進(jìn)行測試，以獲取使用環(huán)境下的振動激勵和溫度載荷數(shù)據(jù)，以實驗環(huán)境測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了環(huán)境影響因素與陣列光柵穩(wěn)定性之間的關(guān)系及其作用形式；另一方面，從光柵方程的一般

5、形式出發(fā)，分析了激光壓縮池環(huán)境下光柵偏轉(zhuǎn)角度對光束指向的影響。
　　4.用動剛度方法確定了光柵拼接裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié)，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高拼接裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；用微分法對光柵拼接裝置的傳動鏈進(jìn)行分析，通過對傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計降低裝置在繞 X轉(zhuǎn)動方向的誤差傳遞系數(shù)，以提高其傳動穩(wěn)定性。
　　5.制作了2×1光柵拼接系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了性能測試實驗。對于子光柵間的相對位姿，將機(jī)電式檢測結(jié)果與光斑檢測計算結(jié)果相對比

6、，驗證了基于矢量誤差抑制原理的機(jī)電式測量方法對獨(dú)立非連續(xù)有界平面相對位姿進(jìn)行測量的檢測性能；通過考察兩光斑相對距離的變化對光柵位姿進(jìn)行計算，驗證了光柵裝置的自身穩(wěn)定性能；通過比較控制程序開啟與否狀態(tài)下的光柵穩(wěn)定性，驗證了光柵拼接系統(tǒng)的實時穩(wěn)定性性能和控制方法性能。
　　陣列光柵的穩(wěn)定性關(guān)系到CPA激光壓縮池打靶成敗的重要因素之一，本文提出的非連續(xù)獨(dú)立有界平面相對位姿檢測方法和制作的光柵拼接系統(tǒng)對提升大口徑陣列光柵的穩(wěn)定性具有重要的