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中阶梯光栅拼接及复制技术研究

2020-12-02阅读(598)

中阶梯光栅拼接及复制技术研究

论文摘要

从二十世纪七十年代开始,天文高分辨率光谱仪多采用大面积中阶梯光栅,观测天体光谱结构来分析宇宙的演化规律和物质构成。为了有效提高天文望远镜系统的集光率、分辨率和信噪比,各个国家逐步建起大型天文望远镜。随着望远镜口径的不断增大,为了满足高光通量及高光谱分辨率的需求,中阶梯光栅的口径逐步扩大,目前存在的两种主要的光栅制作方法:机械刻划法和全息曝光法,但是这两种方法制造单块米级尺寸中阶梯光栅都异常困难,而且成本高昂。为了满足科学发展,科学家提出了一种拼接法来制造大尺寸中阶梯光栅。目前,全球范围内现役大口径天文望远镜所使用的中阶梯光栅均采用拼接方式制作而成。在此背景下,本文就中阶梯光栅的拼接及复制技术的进行研究。根据光栅衍射波前的三维矩阵建立起光栅拼接的数学模型,给出拼接误差的计算方法,依据中阶梯光栅的物理特性设计一种新型结构的中阶梯光栅和相应的拼接误差检测系统,并且分析了系统结构中测量不精准的物理量对光栅拼接的影响。拼接完成后进行拼接光栅复制实验,首先分析光栅镀膜对衍射波前的影响,其次进行了常温胶的固化实验,最后对拼接光栅进行复制,并分析复制过程中光栅拼接误差的变化量。具体研究工作如下:第一,以两光栅平面为基准平面利用三维坐标变换矩阵建立联系,再结合光栅衍射波前的三维矩阵,建立起光栅拼接的三维理论模型,给出光栅拼接五维误差的计算方法,进行实验验证;第二,根据中阶梯光栅的物理特性,针对中阶梯光栅的零级光弱的特点,设计一种新型结构的中阶梯光栅,提出了适合于该结构中阶梯光栅的拼接误差检测系统,总结了中阶梯光栅拼接的实验步骤,有效地完成中阶梯光栅拼接实验;第三,根据中阶梯光栅的拼接误差检测系统结构,分析其中存在的误差;包括光栅位置摆放误差和入射光角度误差对中阶梯光栅拼接实验的影响,并给出了消除影响的方法;第四,根据光栅拼接复制过程中所存在的问题,进行了拼接光栅复制实验的准备工作,首先实验分析镀膜对光栅衍射波前的影响,其次进行了常温胶的固化实验,最终确定常温胶固化时间,并且分析复制光栅的波前等情况;第五,进行中阶梯光栅拼接及复制实验。以两块79gr/mm的中阶梯光栅为例进行了光栅拼接实验,中阶梯光栅使用级次为-36级,经zygo干涉仪测量,两块光栅的波前pv值分别为0.494λ和0.452λ,最后得到拼接光栅的衍射波前pv值0.545。对拼接光栅进行复制。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 引言
  •   1.1 研究背景及意义
  •     1.1.1 大尺寸中阶梯光栅的应用
  •     1.1.2 大尺寸中阶梯光栅制造难点
  •   1.2 大尺寸拼接中阶梯光栅的研究现状
  •     1.2.1 拼接误差分析及检测方法
  •     1.2.2 光栅拼接误差检测技术研究中存在的问题
  •   1.3 论文主要研究内容及结构安排
  •     1.3.1 主要研究内容
  •     1.3.2 文章结构安排
  • 第2章 拼接光栅的三维理论模型的建立及分析
  •   2.1 引言
  •   2.2 建立光栅拼接三维理论模型
  •     2.2.1 拼接误差定义及三维变换矩阵
  •     2.2.2 结合光栅衍射波前与空间三维变换矩阵建立光栅拼接三维模型
  •   2.3 实验验证
  •     2.3.1 拼接误差调整装置的机械结构
  •     2.3.2 拼接光栅三维理论模型的实验分析
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 中阶梯光栅拼接误差检测系统的设计及分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 中阶梯光栅物理特性
  •   3.3 中阶梯光栅拼接误差检测系统
  •     3.3.1 中阶梯光栅拼接误差检测理论分析
  •     3.3.2 中阶梯光栅拼接误差检测系统的仿真设计
  •     3.3.3 实验验证
  •   3.4 “零级”—衍射级共检的中阶梯光栅拼接误差检测系统
  •     3.4.1 光学系统仿真设计及拼接误差检测理论分析
  •     3.4.2 实验验证
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 中阶梯光栅拼接系统中的误差来源与影响分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 中阶梯光栅的拼接误差容限
  •   4.3 光栅位置误差分析
  •     4.3.1 转动中心与原点不重合的处理方法
  •     4.3.2 转动中心位置测量误差的影响
  •   4.4 中阶梯光栅拼接误差检测系统中的入射光角度误差分析
  •   4.5 本章小结
  • 第5章 中阶梯光栅拼接及复制实验
  •   5.1 引言
  •   5.2 拼接光栅复制实验准备工作
  •     5.2.1 常温胶实验
  •     5.2.2 光栅镀膜实验
  •   5.3 中阶梯光栅拼接及复制
  •   5.4 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  •   6.1 论文工作总结
  •   6.2 创新点
  •   6.3 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 丛敏

    导师: 齐向东

    关键词: 光栅拼接,中阶梯光栅,拼接误差,干涉法,误差分析

    来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 天文学

    单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

    分类号: P111

    总页数: 138

    文件大小: 7225K

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