CN104749673A - 大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法 - Google Patents

大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法 Download PDF

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Abstract

大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，涉及衍射光栅制作技术领域，解决现有光栅拼接方法需要重复和持续采用高精度控制调整技术，对支架稳定性要求高，并且采用曝光方法时存在调整与锁定系统之间存在漂移误差等问题，利用一块光栅母版，在光栅毛坯的相邻区域分时复制两次；在光栅毛坯的左侧区域复制第一块光栅；在光栅毛坯左侧区域相邻的右侧区域复制第二块光栅；其中，拼接误差检测系统，检测第二块复制光栅和第一块复制光栅存在的拼接误差；误差检测系统检测第二块复制光栅拼接时的两维拼接误差。本发明光栅在使用过程中不需要多维机械调整架实时调整光栅姿态，具有长期保存性；拼接过程中只需要检测存在的两维拼接误差，降低检测和调整的难度。

Description

大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法
技术领域
本发明涉及衍射光栅制作技术领域，具体涉及一种大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法。
背景技术
大尺寸平面衍射光栅是用于天文光谱分析、激光惯性约束核聚变等领域的重要光学元件，使用其可以有效提高天文望远镜系统的分辨率和信噪比，并且可以提高激光惯性约束核聚变系统的激光输出能量和功率。
大尺寸平面衍射光栅制作一般采用两种方法：机械刻划法和全息曝光离子束刻蚀法。其中，机械刻划法，制作大面积光栅，对光栅刻划机的运行精度及外界环境条件变化要求极高，且光栅母版刻划周期较长，如刻划一个600line/mm、且面积为1000mm×1000mm的光栅，需要大约两个月的时间。
全息曝光离子束刻蚀法，若直接进行米级尺寸光栅的整块曝光刻蚀，无论匀胶、曝光、刻蚀都需要突破较难的制作工艺。而新的全息光栅曝光方法，扫描光束干涉法，理论上能制作任意尺寸的光栅，但目前成品光栅尚存在衍射效率不均匀、衍射波前不理想、杂质点多等问题，且价格极其昂贵。
与此同时，利用拼接法解决大尺寸光栅的制作问题，与直接制作整块大光栅相比，小光栅的制作技术相对成熟、并且容易获得高射效率和更好的衍射波前质量，且多块小光栅的成本也远比一块大光栅低得多。
光栅拼接方法主要有机械拼接法和曝光拼接法。机械拼接法的问题，在光栅使用时需要一直用机械架固定，增加使用难度，需要重复和持续的使用高精度的控制调整技术，对支架稳定性要求较高。曝光拼接法较复杂，位相和姿态控制精度要求较高，每次曝光时的调整与锁定系统之间会存在漂移误差。
发明内容
本发明为解决现有光栅拼接方法需要重复和持续采用高精度控制调整技术，对支架稳定性要求高，并且采用曝光方法时存在调整与锁定系统之间存在漂移误差等问题，提供一种大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法。
大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用一块光栅母版，在光栅毛坯的相邻区域分时复制两次；
步骤二、在步骤一中所述的光栅毛坯的左侧区域复制第一块光栅，所述在第一块光栅复制中利用环氧树脂胶为粘合剂，所述环氧树脂胶固化后，分离第一块光栅复制中的所述光栅毛坯和光栅母版，在所述光栅毛坯的左侧区域形成第一块复制光栅；
步骤三、在与所述光栅毛坯左侧区域相邻的右侧区域复制第二块光栅，第二块光栅复制中检测第二块复制光栅和第一块复制光栅存在的拼接误差，调整拼接误差及环氧树脂胶固化后，分离第二块光栅复制中的所述光栅母版和光栅毛坯，在所述光栅毛坯的右侧区域形成第二块复制光栅；
上述步骤三中，通过误差检测系统，检测第二块复制光栅和第一块复制光栅存在的拼接误差；所述误差检测系统检测第二块复制光栅相对于第一块复制光栅存在的两维拼接误差。
本发明的有益效果：本发明所述的光栅复制拼接方法中光栅在使用过程中不需要多维机械调整架实时调整光栅姿态，具有长期保存性；拼接过程中只需要检测存在的两维拼接误差，降低检测和调整的难度，有利于大尺寸平面光栅制作的工程化。本发明所述的方法成本低，易于实现。
附图说明
图1为本发明所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法的拼接误差俯视图；
图2为本发明所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法中光栅复制拼接第一次复制的示意图；
图3为本发明所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法中光栅复制拼接第二次复制的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，包括步骤，
S1、利用一块光栅母版2，在光栅毛坯3的相邻区域分时复制两次；
S2、在所述光栅毛坯3的左侧区域复制第一块光栅，第一块光栅复制中利用环氧树脂胶为粘合剂，所述环氧树脂胶固化后，分离第一块光栅复制中的所述光栅毛坯3和光栅母版2，从而在所述光栅毛坯3的左侧区域形成第一块复制光栅4；
S3、在与所述光栅毛坯3左侧区域相邻的右侧区域复制第二块光栅，第二块光栅复制中检测第二块光栅复制和第一块复制光栅存在的拼接误差，调整拼接误差及环氧树脂胶固化后，分离第二块光栅复制中的所述光栅母版2和光栅毛坯3，从而在所述光栅毛坯3的右侧区域形成第二块复制光栅5；
其中，步骤S3中，通过拼接误差检测系统，检测第二块复制光栅5和第一块复制光栅4存在的拼接误差；所述误差检测系统检测第二块复制光栅5相对于第一块复制光栅4存在的两维拼接误差。
本实施方式的步骤一中，首先将光栅毛坯3放置在隔振平台1上，然后利用一块光栅母版2，在所述光栅毛坯3的相邻区域分时复制两次，复制时所述光栅毛坯3在下，所述光栅母版2在上。步骤二和步骤三中，复制前对所述光栅母版2镀油膜和铝膜，复制过程中所述环氧树脂胶用于所述光栅毛坯3和所镀铝膜的粘合剂。
本实施方式所述的复制拼接方式中，存在其余三维误差，所述其余三维误差的消除包括：第一块光栅复制时通过夹具固定，使所述光栅毛坯3和光栅母版2的侧面在同一平面上，记录所述环氧树脂胶质量和所述光栅母版2上所加的配重块质量及配重块的配重点，第二块光栅复制时使用与第一块光栅复制时相同的配重点、相同的配重块质量和相同质量的环氧树脂胶。
本实施方式中所述的环氧树脂胶通过常温固化。固化时间为23～25小时。
本实施方式中所述的光栅在使用过程中不需要多维机械调整架实时调整光栅姿态，具有长期保存性；拼接过程中只需要检测存在的两维拼接误差，降低检测和调整的难度，有利于大尺寸平面光栅制作的工程化。
具体实施方式二、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法的实施例，包括以下步骤：
一、首先将光栅毛坯3放置在隔振平台1上，之后利用一块光栅母版2，在所述光栅毛坯3的相邻区域分时复制两次，复制时所述光栅毛坯3在下，所述光栅母版2在上；
二、在所述光栅毛坯3的左侧区域复制第一块光栅，第一块光栅复制中利用环氧树脂胶为粘合剂，所述环氧树脂胶固化后，分离第一块光栅复制中的所述光栅毛坯3和光栅母版2，从而在所述光栅毛坯3的左侧区域形成第一块复制光栅4；
三、在与所述光栅毛坯3左侧区域相邻的右侧区域复制第二块光栅，第二块光栅复制中检测第二块复制光栅5和第一块复制光栅4存在的拼接误差，调整拼接误差及环氧树脂胶固化后，分离第二块光栅复制中的所述光栅母版2和光栅毛坯3，从而在所述光栅毛坯3的右侧区域形成第二块复制光栅5；
其中，步骤三中，通过拼接误差检测系统ZYGO干涉仪，检测第二块复制光栅5和第一块复制光栅4存在的拼接误差；所述误差检测系统检测第二块复制光栅5相对于第一块复制光栅4存在的两维拼接误差，分别为一维平移误差和一维角度误差，当角度误差存在时，第二块复制光栅5相对于第一块复制光栅4有条纹倾斜，当位移误差存在时，第二块复制光栅5相对于第一块复制光栅4有错位，当条纹倾斜和错位均调整到误差允许范围内时，证明存在的两维拼接误差消除，完成对剩余两维误差的检测及调整。
在本实施方式的步骤二和三中，复制前对所述光栅母版2镀油膜和铝膜，复制过程中所述环氧树脂胶用于所述光栅毛坯3和所镀铝膜的粘合剂。
本实施方式所述的环氧树脂胶通过常温固化。常温固化，流动性好、不过分流淌、使用方便，适合粘玻璃和铝层并且不易于脱落玻璃基底，所述固化时间为23-25小时。具体地，选用环氧树脂胶和低分子聚酰胺固化剂按一定比例配比，所述环氧树脂胶和低分子聚酰胺混合后在室温下固化时间约为24小时，分离后复制光栅的性能与光栅母版基本一致，以下简称环氧树脂胶和低分子聚酰胺固化剂的混合物为环氧树脂胶。
本实施方式中所述的两块光栅拼接时存在五维拼接误差，而所存在的五维误差无论对于检测及机械调整系统都存在很大的难度，针对所述分时复制拼接方法，本发明实施方式中只需要检测两维拼接误差。其余三维误差的消除包括：第一块复制光栅时通过夹具固定，使所述光栅毛坯和光栅母版的侧面在同一平面上，记录所述环氧树脂胶质量和所述光栅母版上所加的配重块质量及配重块的配重点，第二块光栅复制时使用与第一块光栅复制时相同的配重点、配重块和同样质量的环氧树脂胶。
结合图1至图3说明本实施方式，图1为复制拼接过程的俯视图，首选，建立笛卡尔空间直角坐标系o-xyz，其中，xoy平面为隔振平台1平面，z轴垂直于隔振平台1，x轴为光栅矢量方向，y轴为光栅的栅线方向，拼接时存在绕x、y、z轴的三维角度误差Δθx、Δθy、Δθz和沿x、z轴的两维位移误差Δx、Δz。
结合图2，复制拼接法制作拼接光栅第一次复制流程如下：
将光栅毛坯3水平放置在隔振平台1上，用电子称称量环氧树脂胶的质量m克，将光栅母版2放在镀膜机内镀膜后放置在m克环氧树脂胶上，用夹具固定光栅母版2和光栅毛坯3，约束光栅母版2绕z轴的转动及沿x轴的平移；在光栅母版2上选取合适的配重点加配重并将配重点做标记，待环氧树脂胶室温固化后，将光栅母版2和光栅毛坯3分离，在光栅毛坯3的左侧形成第一块复制光栅4。
图3为复制拼接法制作拼接光栅第二次复制流程如下：
第二次复制为避免多余的环氧树脂胶溢出而损坏第一块复制光栅4，将光栅毛坯3未形成光栅的右侧区域覆盖，放入镀膜机内镀膜，取出后开始第二次复制。
在右侧区域放置与第一次复制时所使用的相同质量的环氧树脂胶m克，并且在光栅母版2的标记点处加入与第一次相同的配重，消除两次复制所产生的绕x、y轴的角度误差Δθx、Δθy和沿z轴的位移误差Δz。
五维误差中剩余的两维误差：绕z轴的角度误差Δθz和沿x轴的位移误差Δx需检测和调整，用ZYGO干涉仪检测存在的误差，当绕z轴的角度误差Δθz存在时，第二块复制光栅5的条纹相对于第一块复制光栅4的条纹发生倾斜，当沿x轴的位移误差Δx存在时，第二块复制光栅5的条纹相对于第一块复制光栅4的条纹发生错位，当条纹倾斜和错位调整到误差范围内时，满足拼接要求，待胶层固化后分离光栅母版2和光栅毛坯3，分离时溢出的环氧树脂胶会粘连第一块复制光栅4的一部分保护层，残留的保护层可以用气枪去除。
光栅母版2在光栅毛坯3上第一块复制光栅4和第二块复制光栅5为得到的复制拼接光栅。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用一块光栅母版(2)，在光栅毛坯(3)的相邻区域分时复制两次；
步骤二、在步骤一中所述的光栅毛坯(3)的左侧区域复制第一块光栅，所述在第一块光栅复制中利用环氧树脂胶为粘合剂，所述环氧树脂胶固化后，分离第一块光栅复制中的所述光栅毛坯(3)和光栅母版(2)，在所述光栅毛坯(3)的左侧区域形成第一块复制光栅(4)；
步骤三、在与所述光栅毛坯(3)左侧区域相邻的右侧区域复制第二块光栅，第二块光栅复制中检测第二块复制光栅(5)和第一块复制光栅(4)存在的拼接误差，调整拼接误差及环氧树脂胶固化后，分离第二块光栅复制中的所述光栅母版(2)和光栅毛坯(3)，在所述光栅毛坯(3)的右侧区域形成第二块复制光栅(5)；
其中，步骤三中，通过误差检测系统，检测第二块复制光栅(5)和第一块复制光栅(4)存在的拼接误差；所述误差检测系统检测第二块复制光栅(5)相对于第一块复制光栅(4)存在的两维拼接误差。
2.根据权利要求1所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，其特征在于，在步骤一中，首先将光栅毛坯(3)放置在隔振平台(1)上，然后利用一块光栅母版(2)，在所述光栅毛坯(3)的相邻区域分时复制两次，复制时所述光栅毛坯(3)在下，所述光栅母版(2)在上。
3.根据权利要求1所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，其特征在于，步骤二和步骤三中，复制前对所述光栅母版(2)镀油膜和铝膜，复制过程中所述环氧树脂胶用于所述光栅毛坯(3)和所镀铝膜的粘合剂。
4.根据权利要求1所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，其特征在于，其余三维误差的消除包括：第一块光栅复制时通过夹具固定，使所述光栅毛坯(3)和光栅母版(2)的侧面在同一平面上，记录所述环氧树脂胶质量和所述光栅母版(2)上所加的配重块质量及配重块的配重点，第二块光栅复制时使用与第一块光栅复制时相同的配重点、相同的配重块质量和相同质量的环氧树脂胶。
5.根据权利要求1所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，其特征在于，所述环氧树脂胶通过常温固化。
6.根据权利要求5所述的大尺寸平面衍射光栅的复制拼接方法，其特征在于，所述固化时间为23～25小时。
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