【摘要】：衍射光柵是一種納米級(jí)精度的光學(xué)元件,其兼具色散、偏振和相位匹配等性能,廣泛應(yīng)用于國(guó)防、軍事、航空航天、天文以及民用等領(lǐng)域。衍射光柵制造技術(shù)是當(dāng)今最為精密的技術(shù)之一。對(duì)于槽形要求苛刻的低刻線密度紅外激光光柵和絕大多數(shù)中階梯光柵,一般均采用機(jī)械刻劃法制作。光柵刻劃?rùn)C(jī)的定位精度是制作高質(zhì)量衍射光柵的前提;光柵的波前質(zhì)量是光柵的一項(xiàng)重要的光學(xué)性能指標(biāo),它影響著光柵的光譜成像特性。鑒于此,本論文受?chē)?guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“大型高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)研制”以及973計(jì)劃“大面積光柵納米精度制造中的基礎(chǔ)問(wèn)題研究”的資助,從提高刻劃光柵質(zhì)量入手,探索光柵刻劃?rùn)C(jī)定位精度提高和光柵衍射波前質(zhì)量校正的方法,主要從刻劃?rùn)C(jī)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理的闡述、微定位控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)、測(cè)量系統(tǒng)引起的刻線誤差和光柵鍍膜均勻性引起的基底面形誤差對(duì)光柵衍射波前影響等幾個(gè)方面做了深入研究。第一,通過(guò)刻線誤差模型給出了刻劃?rùn)C(jī)定位精度指標(biāo);分析了大型衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械精度和運(yùn)行原理,論證該刻劃?rùn)C(jī)設(shè)計(jì)的合理性。第二,采用“灰箱”建模法建立了微定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型特性的研究,設(shè)計(jì)了包括PID控制加前饋控制的復(fù)合控制器;通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的控制器滿足光柵刻劃?rùn)C(jī)納米級(jí)定位的指標(biāo)要求。第三,推導(dǎo)出了錐面衍射下的刻線誤差和基底面形誤差對(duì)光柵任意衍射級(jí)次衍射波前的數(shù)學(xué)表達(dá)式,給出了刻線誤差和基底面形誤差與光柵衍射波前的數(shù)學(xué)模型;第三,設(shè)計(jì)了大型衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)的測(cè)量光路;分析了現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生余弦誤差的原因并提出了減小測(cè)量系統(tǒng)余弦誤差的方法;第四,分析了現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生阿貝誤差的原因,建立了測(cè)量系統(tǒng)阿貝誤差與衍射波前質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析,提出了測(cè)量系統(tǒng)阿貝誤差的測(cè)量方法,并對(duì)阿貝誤差進(jìn)行校正,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的阿貝誤差測(cè)量和校正方法的可行性;第五,分析了大型衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)大氣環(huán)境誤差對(duì)測(cè)量系統(tǒng)折射率的影響,提出了大氣折射率的測(cè)量方法,建立了大氣折射率引起的刻線誤差與衍射波前質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真分析,對(duì)大氣折射率引起的刻線誤差進(jìn)行校正,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了校正方法的準(zhǔn)確性。第六,結(jié)合鍍膜機(jī)的工作原理分析了鍍膜不均勻產(chǎn)生的原因,推導(dǎo)出不同鍍膜區(qū)域的膜層均勻性公式,并建立膜層鍍制均勻性與光柵衍射波前之間的數(shù)學(xué)模型;通過(guò)對(duì)鍍膜均勻性理論分析的結(jié)果指導(dǎo)鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整使得膜層均勻性滿足指標(biāo)要求;仿真分析了鍍膜均勻性對(duì)光柵衍射波前質(zhì)量的影響,并通過(guò)光柵刻劃實(shí)驗(yàn)論證了膜層鍍制均勻性的改善能夠有效的提高了光柵的衍射波前質(zhì)量。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH744

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