CN104101925B - 一种自适应光栅拼接误差控制方法及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够降低光栅拼接难度、提高拼接稳定性的自适应光栅拼接误差控制方法。通过把待拼接子光栅第一次拼接后进行固定，进而提高光栅稳定性，通过科学级面阵CCD显示远场焦斑，通过传感器阵列产生数据，通过远场同步监测系统进行拼接误差的数据分析，通过误差补偿镜对拼接误差进行补偿，有效降低拼接难度，并能够对拼接误差进行实时控制。

Description

一种自适应光栅拼接误差控制方法及其控制装置

技术领域

本发明属于激光器领域，尤其涉及一种自适应光栅拼接误差控制方法及其控制装置。

背景技术

衍射光栅，通常简称为“光栅”，一种由密集﹑等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件。它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散﹐再经成像镜聚焦而形成光谱。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，但其性能稳定，分辨率高，色散高而且随波长的变化小，因此衍射光栅不仅应用在光谱仪器上，在通信、计量、集成光学、信息处理以及激光核聚变等领域都有十分广泛的应用。

近年来，由于啁啾脉冲放大(CPA)技术的应用，使得获得更高能量、更高强度的超短脉冲激光成为可能，采用啁啾脉冲放大技术的高能超短超强激光装置在终端均利用衍射光栅进行脉冲压缩，衍射光栅的光栅口径和损伤阈值是影响高能短脉冲激光装置(PW、EW装置)输出能力的两个重要指标。受限于材料技术、镀膜技术的限制，光栅损伤阈值现阶段不能大幅度提高，增大光栅口径成为提高高能短脉冲激光装置输出能力的必然选择。目前所能加工的光栅口径在米量级，但依然不能满足高能短脉冲激光装置的要求。单块大口径光栅不仅获取困难，而且成本高昂。为获得数千焦耳甚至更高的能量输出，需要米量级的大口径光栅，但由于大面积曝光、大面积刻蚀及大面积均匀镀膜等工艺技术上的困难，大口径光栅不仅价格高昂且不易获得，并且随着光栅口径的增大，其制造和使用过程中的面形将变得难以控制。光栅拼 接技术的出现给增大光栅口径带来了一种新的技术选择，光栅拼接是将两块以上的小光栅拼在一起作为一块大光栅使用，实现单一大光栅的功能，以克服光栅口径限制难题。

要保证拼接后的光栅能够等效地替代单块大光栅进行激光脉冲的压缩，第二子光栅之间拼接误差精度要求很高(要求平移误差在纳米量级，旋转误差低于1μrad，拼接误差控制不好会造成脉冲展宽或焦斑分裂、远场功率密度下降，第二子光栅数目越多对拼接误差控制精度的要求就越高。影响光栅拼接误差的因素主要有：1)光栅拼接的监测、调整机构误差。这部分属于静态误差，光栅拼接的监测误差是由于监测仪器带来的误差，调整驱动误差是由于第二子光栅调整机构、驱动器引入的误差，这与调整机构有关。2)第二子光栅动态响应误差。在环境振动激励下，第二子光栅的动态响应不一致导致的拼接误差，这部分误差是控制的难点。3)第二子光栅时间漂移误差。由于环境温度的变化，装夹应力、蠕变的存在，光栅拼接误差随时间的变化。大口径光栅拼接的难点是在一定的环境条件下，把多自由度系统静态误差、动态误差、时间漂移误差控制在一定的范围内，纳米级的拼接误差要求是对诊断技术、调整机构精密调整技术、动态响应控制技术的极大挑战。

美国OMEGA-EP装置就是基于光栅配对理论建立的拼接装置。它采用梁支撑结构，三块光栅可以根据入射光线角度不同进行大范围的调整角度，两边光栅相对中间光栅进行调整，通过修改倾角、转角和纵向位移，实现每个外侧栅片支撑框架的片对片调节只需三个电激励源。每个激励源都配有一个电容传感器形成闭环控制系统来控制它的位置。激励源位置允许误差为±4nm.不要求精确排列时，TGA正常安装，通过调整两个线性执行机构反复调节中间栅片的倾角和平面旋转得到利特罗角。用手调节光栅支撑梁下的三个螺丝钉改变倾角和平面旋转，使外侧栅片与中间栅片沟槽一致。最初的调节位置由干涉仪测量分析确定。两对电容传感器安装在光栅顶面和底面，监控调节位置随横向、纵向位移，倾角和平面旋转的变化。然后，通过分别补偿横向位 移和平面旋转相对纵向位移和倾角的时间漂移，对调节位置进行实时控制。这种方式较好的控制了光栅的拼接误差，但是其监测误差采用干涉仪近场检测或远场图像检测，干涉仪或远场监测方法需要附加光路，使光路空间结构变得复杂，并且由于第二子光栅口径较大，再加上光栅的装夹机构，第二子光栅调整起来非常不方便，尤其是实现高频的调整，因为这种控制技术难度大，拼接稳定性较差，并且图像处理速度受限，不利于闭环控制，调节第二子光栅时候的动态响应不足。

综上所述，目前的光栅拼接误差控制方法基本都是直接控制拼接第二子光栅各自由度误差，这种控制方法技术难度大，拼接稳定性较差，动态响应不足，且检测机构复杂。

发明内容

本发明基于光栅配对补偿理论，针对现有技术的弊端：现有光栅拼接中误差控制技术难度大，拼接稳定性较差，本发明创新性的改变误差控制方法，通过对需要拼接的光栅进行拼接时候，只需将角度误差在1urad.位移误差控制到极易实现的50um以下后对拼接光栅进行固定，然后通过误差补偿镜、远场同步监测系统实现拼接光栅的拼接误差和错位误差的补偿，使光栅拼接误差控制的难度大大降低，并能保持较好的稳定性。

本发明的一种自适应光栅拼接误差控制方法，包括以下步骤：

步骤一、第一子光栅与第二子光栅首次拼接：第一子光栅固定在光路系统中，第二子光栅安装在光栅架正面上并由驱动机构进行驱动，与第一子光栅进行拼接；固定光栅与拼接的两子光栅形成压缩光栅，激光束经过压缩光栅衍射后再经过聚焦透镜显示在科学级面阵CCD上，通过监测科学级面阵CCD上的远场焦斑形状及大小，焦斑强度，对第一子光栅和第二子光栅的拼接进行调整，使角度误差、位移误差控制在满足配对补偿理论数值之下，然后对第二子光栅进行固定；第一传感器阵列安装于光栅架背面上，并产生第二子 光栅各自由度数据，由远场监测系统记录第一传感器阵列各数据；

步骤二、将误差补偿镜和小口径反射镜放置在激光射入口，激光束首先由误差补偿镜和小口径反射镜反射后激光束变为两束，其中小口径反射镜反射的光束为第一反射激光束，误差补偿镜反射的光束为第二反射激光束，两束反射激光由透镜组进行扩束后经过片状放大器提升激光束能量，而后进入固定光栅衍射，衍射入拼接第一子光栅和第二子光栅，其中第一激光束射入第一子光栅，第二激光束射入第二子光栅，第一子光栅和第二子光栅的光束衍射后通过聚焦透镜后在CCD上成像；所述小口径反射镜固定在光路中，所述误差补偿镜可由传动机构进行多维度调节，第二传感器阵列产生误差补偿镜各自由度数据；由远场监测系统记录第二传感器阵列各数据；

步骤三、远场同步监测系统监测各传感器阵列传感器数据，并监测远场焦斑信息，根据远场焦斑信息，调节误差补偿镜，使远场焦斑达到理想状态，记录第一传感器阵列和第二传感器阵列各数据；此时得到的各数据为理想焦斑时数据；

步骤四、当第二子接光栅随着时间过去而产生新的角度误差和位移误差时，第二传感器阵列会及时将数据传送给远场监测系统，并由远场监测系统对比理想焦斑时第一传感器阵列的各数据，得出新的光栅拼接误差的角度和错位信息；远场同步监测系统根据光栅拼接误差的角度和错位信息，根据矩阵光学原理，误差补偿镜与第二子光栅光路具有对应函数关系，因而得出误差补偿镜各自由度调整量，并发出指令微调误差补偿镜，使远场焦斑逐步改善；

步骤五、重复步骤三、步骤四，直到远场焦斑达到最佳效果。

优选的所述的一种自适应光栅拼接误差控制方法，所述误差补偿镜多维度调节具体为可调整的方向分别是沿镜面法向的平移，及绕X和Y轴的旋转，其中，所述镜面法向为Z向。

优选的所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，所述误差补偿镜安装于 镜架上，传动机构为驱动器，所述驱动器通过柔性头与镜架直接相连，所述驱动器为压电驱动器，压电材料为陶瓷；整个镜架都放在支撑平台上；第二传感器阵列至少具有三个传感器，安装于误差补偿镜镜架上，用于检测误差补偿镜与传感器之间各自由度位移的变化。

优选的所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，所述步骤四中误差补偿镜与第二子光栅光路具有对应函数关系为：如果误差补偿镜的通光口径为D₁、第二子光栅的口径为D₂，第二子光栅运动角度为ω₂，那么小口径反射镜补偿量ω₁＝(D₂/D₁)×ω₂。

优选的所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，第二子光栅安装于光栅架正面上，所述第一传感器阵列安装于光栅架背面上，所述第一传感器阵列至少具有三个传感器，且所述传感器固定于光栅架上，用于检测第二子光栅与传感器之间各自由度位移的变化。

优选的所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，首次拼接第一子光栅与第二子光栅时，控制在角度误差1urad以下，控制错位误差在50um以下。

优选的所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，其所述透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜与第一透镜焦点之间的距离大于第一透镜的焦距。

一种自适应光栅拼接误差控制装置，包括：

激光源，用于发射激光束；

小口径反射镜，固定于激光束入射光路上，用于反射激光束；

误差补偿镜，与小口径反射镜组成反射镜组，用于反射激光束，同时误差补偿镜在多维度可调，用于补偿第一子光栅与第二子光栅之间的拼接误差；

透镜组，安装于小口径反射镜和误差补偿镜的输出光路上，包含第一透镜和第二透镜，用于将激光束进行扩束；

放大器，安装于透镜组的输出光路上，用于提升激光束能量；

压缩光栅，安装于放大器输出光路上，包含第一固定光栅，第一子光栅和第二子光栅，其中第一子光栅和第二子光栅拼接在一起，并与第一固定光 栅互相平行，用于对激光束进行压缩；

聚焦透镜，安装于压缩光栅的输出光路上，用于将激光束聚焦到CCD面阵上；

科学级面阵CCD，用于显示激光束聚焦画面，形成远场焦斑；

传感器阵列，包含第一传感器阵列和第二传感器阵列，第一传感器阵列安装于第二子光栅后，用于检测第二子光栅各自由度数据；第二传感器阵列，安装于误差补偿镜后，用于检测误差补偿镜各自由度数据；

远场同步监测系统，用于记录传感器阵列各数据，监测远场焦斑信息，同时分析各数据信息，给出误差补偿镜误差补偿量。

本发明将待拼接的第二子光栅通过机械加工技术保证其加工精度，在安装时把精度控制在一定的范围内，并进行固定，第二子光栅的稳定性得到保证。第二子光栅间的拼接误差通过远场监测系统进行监测，通过远场图像处理得到第二子光栅间的错位误差和角度误差，根据远场图像处理得到的第二子光栅间的错位误差和角度误差，对误差补偿镜进行调节，而后观察远场监测系统，使远场焦斑达逐渐达到理想状态，重复以上步骤，直到得到较理想的远场图像。

通过自适应光栅拼接误差控制方法，可以降低光栅拼接误差控制难度，降低误差控制成本，同时可以提高光栅拼接的稳定性。该技术不仅可以解决制约高能短脉冲激光输出能力的大口径光栅问题，同时也可以为多光束相干合成、合束并束等提供技术借鉴和技术储备，为发展高光束质量、超高功率激光系统提供技术支撑，对促进强辐射源驱动技术/EW激光技术的发展，具有重要的战略意义和现实意义。

附图说明：

图1是本发明的实施原理图

图2远场焦斑整合和分离图像

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

首次拼接第一子光栅与第二子光栅时候，可通过现有技术直接控制其拼接误差到满足配对补偿理论误差范围内，其具体实施方式为：第一子光栅8固定在光路系统中，第二子光栅9由驱动机构进行驱动，与第一子光栅8进行拼接；固定光栅7与拼接光栅平行，第一子光栅8与第二子光栅9和固定光栅7形成压缩光栅；激光束1射入压缩光栅，衍射后经过聚焦透镜并显示在科学级面阵CCD11上，通过监测科学级面阵CCD11上的远场焦斑，对第一子光栅8和第二子光栅9的拼接进行调整，使角度误差、位移误差控制在满足配对补偿理论数值之下，如控制在角度误差1urad以下，控制错位误差在50um以下。同时远场监测系统记录下安装在第二子光栅9后的第一传感器阵列各数据，然后对第二子光栅9进行固定。

固定好后，我们按照图1所示实施原理图进行整个系统设备的安装，如图1是本发明的实施原理图，激光束1，小口径反射镜2，误差补偿镜3，第一透镜4，第二透镜5，片状放大器6，固定光栅7，第一子光栅8，第二子光栅9，聚焦透镜10，科学级面阵CCD11依次排列，远场监测系统安装于微机中。误差补偿镜3安装于镜架上，传动机构为驱动器，所述驱动器通过柔性头与镜架直接相连，所述驱动器为压电驱动器，压电材料为陶瓷；整个镜架都放在支撑平台上；第二传感器阵列至少具有三个传感器，安装于误差补偿镜3镜架上，用于检测误差补偿镜3与传感器之间各自由度位移的变化。第二子光栅9安装于光栅架正面上，第一传感器阵列安装于第二子光栅架背面上，所述第一传感器阵列至少具有三个传感器，且所述传感器固定于光栅架上，用于检测第二子光栅与传感器之间各自由度位移的变化。

激光束1通过小口径反射镜2和误差补偿镜3反射，小口径反射镜2为固定反射镜，误差补偿镜3为三维可调反射镜，误差补偿镜3可调整的方向分别是沿镜面法向的平移，及绕X和Y轴的旋转，所述镜面法向为Z向。激 光束经过误差补偿镜3后改变激光传输角度，而后激光束经过第一透镜4和第二透镜5进行扩束，光束口径增大，而后激光束经过片状放大器6，光束的能量得到提高，而后经过固定式光栅7，光束经固定式光栅7衍射后衍射到由第一子光栅8和第二子光栅9构成的拼接光栅对，而后激光束经过透镜10进行聚焦，在科学级面阵CCD11上进行成像。根据远场焦斑状态，调整误差补偿镜3，使远场焦斑逐步达到理想焦斑状态，此时记录各传感器数据。

当得到满意的远场焦斑后，远场监测系统记录各传感器数据，当随着时间变化，第二子光栅相对于光栅架和传感器会产生新的角度和位移误差，导致拼接光栅之间会产生新的误差，第一子光栅8和第二子光栅9之间的不同类型的拼接误差光栅会在科学级面阵CCD 11上产生不同的图像。如图2所示，(a)为远场焦斑整合和(b)分离图像，其中整合为理想聚焦状态，分离图像为误差时候图像。远场监测系统此时监测远场焦斑状态，通过科学级面阵CCD 11上的图像并通过对比各传感器与理想焦斑时候的传感器各数据，可以得到第一子光栅8和第二子光栅9之间的误差类型，可以实时的对误差补偿镜进行位置调节，以补偿新的误差。其误差补偿原理为矩阵光学原理，同一光路中误差补偿镜和第二子光栅对光束指向和相位的影响是可以相互补偿的，并且补偿关系系数与它们的口径成反比，也既是误差补偿镜用较低的运动精度可以补偿大口径第二子光栅高精度要求，如果误差补偿镜的通光口径为D₁、第二子光栅的口径为D₂，第二子光栅运动角度为ω₂(误差角度)，那么误差补偿镜补偿量ω₁＝(D₂/D₁)×ω₂，即在第二子光栅误差角度为ω₂误差补偿镜只需要向第二子光栅运行的相反角度运动ω₁。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种自适应光栅拼接误差控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、第一子光栅与第二子光栅首次拼接：第一子光栅固定在光路系统中，第二子光栅安装在光栅架正面上并由驱动机构进行驱动，与第一子光栅进行拼接；固定光栅与拼接的两子光栅形成压缩光栅，激光束经过压缩光栅衍射后再经过聚焦透镜显示在科学级面阵CCD上，通过监测科学级面阵CCD上的远场焦斑形状及大小，焦斑强度，对第一子光栅和第二子光栅的拼接进行调整，使角度误差、位移误差控制在满足配对补偿理论数值之下，然后对第二子光栅进行固定；第一传感器阵列安装于光栅架背面上，并产生第二子光栅各自由度数据，由远场监测系统记录第一传感器阵列各数据；

步骤二、将误差补偿镜和小口径反射镜放置在激光射入口，激光束首先由误差补偿镜和小口径反射镜反射后激光束变为两束，其中小口径反射镜反射的光束为第一反射激光束，误差补偿镜反射的光束为第二反射激光束，两束反射激光由透镜组进行扩束后经过片状放大器提升激光束能量，而后进入固定光栅衍射，衍射入拼接第一子光栅和第二子光栅，其中第一激光束射入第一子光栅，第二激光束射入第二子光栅，第一子光栅和第二子光栅的光束衍射后通过聚焦透镜后在CCD上成像；所述小口径反射镜固定在光路中，所述误差补偿镜可由传动机构进行多维度调节，第二传感器阵列产生误差补偿镜各自由度数据；由远场监测系统记录第二传感器阵列各数据；

步骤三、远场同步监测系统监测各传感器阵列传感器数据，并监测远场焦斑信息，根据远场焦斑信息，调节误差补偿镜，使远场焦斑达到理想状态，记录第一传感器阵列和第二传感器阵列各数据；此时得到的各数据为理想焦斑时数据；

步骤四、当第二子接光栅随着时间过去而产生新的角度误差和位移误差时，第二传感器阵列会及时将数据传送给远场监测系统，并由远场监测系统对比理想焦斑时第一传感器阵列的各数据，得出新的光栅拼接误差的角度和错位信息；远场同步监测系统根据光栅拼接误差的角度和错位信息，根据矩阵光学原理，误差补偿镜与第二子光栅光路具有对应函数关系，因而得出误差补偿镜各自由度调整量，并发出指令微调误差补偿镜，使远场焦斑逐步改善；

步骤五、重复步骤三、步骤四，直到远场焦斑达到最佳效果。

2.根据权利要求1所述的一种自适应光栅拼接误差控制方法，其特征在于：所述误差补偿镜多维度调节具体为可调整的方向分别是沿镜面法向的平移，及绕X和Y轴的旋转，其中，所述镜面法向为Z向。

3.根据权利要求1所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，其特征在于：所述误差补偿镜安装于镜架上，传动机构为驱动器，所述驱动器通过柔性头与镜架直接相连，所述驱动器为压电驱动器，压电材料为陶瓷；整个镜架都放在支撑平台上；第二传感器阵列至少具有三个传感器，安装于误差补偿镜镜架上，用于检测误差补偿镜与传感器之间各自由度位移的变化。

4.根据权利要求1所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，其特征在于：所述步骤四中误差补偿镜与第二子光栅光路具有对应函数关系为：如果误差补偿镜的通光口径为D₁、第二子光栅的口径为D₂，第二子光栅运动角度为ω₂，那么小口径反射镜补偿量ω₁＝(D₂/D₁)×ω₂。

5.根据权利要求1所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，其特征在于，包括：第二子光栅安装于光栅架正面上，所述第一传感器阵列安装于光栅架背面上，所述第一传感器阵列至少具有三个传感器，且所述传感器固定于光栅架上，用于检测第二子光栅与传感器之间各自由度位移的变化。

6.根据权利要求1所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，其特征在于：

首次拼接第一子光栅与第二子光栅时，控制在角度误差1urad以下，控制错位误差在50um以下。

7.根据权利要求1所述一种自适应光栅拼接误差控制方法，其特征在于：

所述透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜与第一透镜焦点之间的距离大于第一透镜的焦距。

8.一种自适应光栅拼接误差控制装置，其特征在于包括：

激光源，用于发射激光束；

小口径反射镜，固定于激光束入射光路上，用于反射激光束；

误差补偿镜，与小口径反射镜组成反射镜组，用于反射激光束，同时误差补偿镜在多维度可调，用于补偿第一子光栅与第二子光栅之间的拼接误差；

透镜组，安装于小口径反射镜和误差补偿镜的输出光路上，包含第一透镜和第二透镜，用于将激光束进行扩束；

放大器，安装于透镜组的输出光路上，用于提升激光束能量；

压缩光栅，安装于放大器输出光路上，包含第一固定光栅，第一子光栅和第二子光栅，其中第一子光栅和第二子光栅拼接在一起，并与第一固定光栅互相平行，用于对激光束进行压缩；

聚焦透镜，安装于压缩光栅的输出光路上，用于将激光束聚焦到CCD面阵上；

科学级面阵CCD，用于显示激光束聚焦画面，形成远场焦斑；

传感器阵列，包含第一传感器阵列和第二传感器阵列，第一传感器阵列安装于第二子光栅后，用于检测第二子光栅各自由度数据；第二传感器阵列，安装于误差补偿镜后，用于检测误差补偿镜各自由度数据；

远场同步监测系统，用于记录传感器阵列各数据，监测远场焦斑信息，同时分析各数据信息，给出误差补偿镜误差补偿量。