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(jiǎn)稱CPA)是迄今實(shí)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(jí)的大尺寸，所以各國(guó)的研究者們大多采用了光柵拼接的方法來(lái)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(shí)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(duì)某型激光壓縮器中陣列光柵的應(yīng)用需求，本文對(duì)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(duì)位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)控制理論和方法，考察了環(huán)境激勵(lì)與陣列光柵穩(wěn)定性的關(guān)系，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.在研究陣列光柵配對(duì)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(duì)位姿檢測(cè)方法，分析了該檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)

3、裝置零點(diǎn)漂移誤差的抑制水平和檢測(cè)穩(wěn)定性，為機(jī)電式子光柵相對(duì)位姿檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。
　　2.設(shè)計(jì)了包括支撐結(jié)構(gòu)、檢測(cè)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(jí)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(dòng)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(duì)位姿測(cè)量方法對(duì)子光柵的空間相對(duì)位姿進(jìn)行檢測(cè)，以此作為反饋控制的依據(jù)；用鎖存補(bǔ)償法和四點(diǎn)中心差分法對(duì)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(gè)方面的分析，明確了光柵拼接裝置穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方向：一方面，對(duì)陣列光柵的使用環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，以獲取使用環(huán)境下的振動(dòng)激勵(lì)和溫度載荷數(shù)據(jù)，以實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)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(duì)光束指向的影響。
　　4.用動(dòng)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(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高拼接裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；用微分法對(duì)光柵拼接裝置的傳動(dòng)鏈進(jìn)行分析，通過對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)降低裝置在繞 X轉(zhuǎn)動(dòng)方向的誤差傳遞系數(shù)，以提高其傳動(dòng)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(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)于子光柵間的相對(duì)位姿，將機(jī)電式檢測(cè)結(jié)果與光斑檢測(cè)計(jì)算結(jié)果相對(duì)比

6、，驗(yàn)證了基于矢量誤差抑制原理的機(jī)電式測(cè)量方法對(duì)獨(dú)立非連續(xù)有界平面相對(duì)位姿進(jìn)行測(cè)量的檢測(cè)性能；通過考察兩光斑相對(duì)距離的變化對(duì)光柵位姿進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)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(yàn)證了光柵拼接系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(duì)位姿檢測(cè)方法和制作的光柵拼接系統(tǒng)對(duì)提升大口徑陣列光柵的穩(wěn)定性具有重要的