衍射光柵可以通過周期性結構來分離復色光，因此，被廣泛應用于光譜分析和波前調(diào)控。其衍射波前誤差會造成高端儀器裝備性能劣化。在慣性約束核聚變中，光柵衍射波前誤差導致激光合束波前畸變，影響超強脈沖激光質量；天文光譜儀中，光柵衍射波前誤差會降低光譜分辨率和探測靈敏度；數(shù)控機床位移測量系統(tǒng)中，光柵衍射波前誤差直接影響位移測量精度。因此，大口徑光柵衍射波前的高精度控制已成為制約高端儀器裝備發(fā)展的核心難題。
掃描干涉場曝光技術的突出優(yōu)勢在于干涉條紋相位可實時主動調(diào)控，能夠制作衍射波前誤差極小的光柵。其原理是由兩束激光在其束腰處疊加，在光柵表面形成毫米口徑的干涉場，工作臺做二維步進掃描運動進行曝光。因此，工作臺位移測量精度直接決定了光柵衍射波前精度。然而，傳統(tǒng)激光干涉測量極易受環(huán)境溫度、濕度和壓強的影響，工作臺的位移測量精度降低。為解決上述問題，研究團隊提出了一種光柵—激光互補式的工作臺位移測量技術，在遠端利用受環(huán)境因素影響小的光柵干涉儀進行長距離測量，近端利用激光干涉儀進行短距離測量，從而解決工作臺位移測量量程與精度的矛盾問題，工作臺測量重復性精度達到±6nm。研究團隊還建立了納米精度干涉場參數(shù)測量系統(tǒng)，通過兩套測量系統(tǒng)可以準確獲取工作臺的位移誤差和曝光光束相位分布，利用動態(tài)相位控制系統(tǒng)調(diào)制干涉條紋相位分布實現(xiàn)相鄰干涉條紋的相位精確拼接。這種方式可以補償工作臺運動誤差引起的光柵刻線誤差，實現(xiàn)大口徑光柵的高精度制作。
該成果以“Controlling the wavefront aberration of a large-aperture and high-precision holographic diffraction grating”為題發(fā)表于國際頂尖光學期刊《Light: Science & Applications》，李文昊為論文第一作者，巴音賀希格和李文昊為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等相關項目的支持。該研究為米級口徑、納米級精度光柵的制作提供了創(chuàng)新思路，將進一步推動高能激光、高精度光譜儀和超高精度位移測量技術的發(fā)展。
研制的大口徑高精度全息光柵結果(a 口徑為1500 mm × 420 mm光柵實物圖，b 掃描干涉場曝光系統(tǒng)原理圖，c 掃描干涉場曝光系統(tǒng)實物圖，d 光柵衍射波前梯度，e 光柵1級衍射波前，f 光柵刻槽原子力照片，g 光柵刻線誤差及其標準差)
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