中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着现代天文观测需求的不断提升,大口径天文望远镜的口径已突破传统尺度限制,相应地, 其核心组件高分辨率光谱仪对大尺寸阶梯光栅的性能要求也日益严苛。阶梯光栅作为光谱仪的核心色散元件,其尺寸和衍射性能直接决定了光谱分辨能力与光能利用效率。然而，单体米级阶梯光栅的制备面临着技术和成本的双重挑战，主要体现在刻划过程中刻刀的累积磨损导致刻槽深度渐变,膜层沉积的大面积均匀性难以保证,以及基底材料的内应力释放等问题,均严重制约了大尺寸光栅的制造精度。目前，国内可制造的最大单体光栅尺寸是400mm×500mm，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制，国际上在售的最大单体光栅尺寸为300mm×400mm。
在此背景下，光栅拼接技术作为一种有效的解决方案，逐渐成为研制大尺寸阶梯光栅的重要手段。该技术的核心思想是将两个或多个小尺寸光栅通过精密对准与拼接,形成等效大尺寸光栅阵列,使拼接后的整体结构在波前衍射特性上达到甚至超越单体光栅的性能指标。这种技术路线不仅能够满足新一代大口径天文望远镜对光谱分辨率和集光效率的双重要求,更显著降低了制造工艺复杂度和生产成本。鉴于此，本研究基于干涉测量原理，提出并研究了一种利用双级次同步条纹干涉的光栅拼接方法，用于阶梯光栅拼接误差的测量与解耦。该方法通过对两个衍射级次的干涉条纹进行同步采集与分析，实现了拼接误差之间的分离检测和解耦计算，并通过实验系统验证了该方法的有效性与稳定性。研究结果为大尺寸阶梯光栅的高精度拼接提供了一种新的技术路线。本研究具体的研究内容如下：
第一，建立了阶梯光栅拼接误差解算的理论模型，通过理论分析和公式推导，明确了各拼接误差之间的关系。基于弗朗禾费原理和干涉原理，仿真分析了不同拼接误差存在时，对远场光斑能量分布和干涉条纹产生的影响。进一步利用光学分析软件ZEMAX，分析了不同拼接误差对光谱仪性能造成的影响，为后续误差检测与误差解耦算法的建立提供了理论依据。
第二，提出双级次同步条纹检测方法，实现拼接误差的高精度检测与调整。针对传统检测方法在阶梯光栅零级衍射光较弱、系统误差耦合显著的问题，本研究设计了一种基于自研泰曼–格林干涉仪的双级次同步检测方案。该系统通过在低衍射级次与高衍射级次同时进行干涉测量，实现了双级次干涉条纹的同步采集与相位分析。通过仿真验证，该方法能够有效分离不同拼接误差分量，显著提升了测量灵敏度与误差分辨能力，从而实现对拼接光栅的高精度调整与优化。
第三，提出误差解耦算法，介绍了干涉条纹处理算法，对条纹图进行精确计算，针对拼接误差之间存在相互耦合影响，提出拼接误差解耦计算方法，对误差解耦算法进行了理论分析，并搭建了实验系统，实验结果表明，该算法能够准确实现拼接误差的检测和补偿误差之间的解耦计算，其检测精度满足高精度阶梯光栅拼接实验的要求，为后续的大尺寸拼接光栅制备提供了可靠的技术支撑。
第四，基于双级次同步条纹检测原理，设计了光栅拼接系统，搭建了拼接误差检测调整光路。完成了两块子光栅尺寸为25mm×50mm的拼接工作，并对拼接结果进行了分析，通过商用干涉仪测得拼接光栅的波前PV值为0.423𝜆 ，RMS值为0.034𝜆，满足拼接精度要求。
第五，为满足天文高分辨率光谱仪对光栅长期稳定性的严格要求，本研究在原实验系统的基础上进行了系统优化与升级，搭建了一套基于双级次同步条纹检测原理的新型光栅拼接实验平台。该系统采用不可调节的全约束光栅支撑结构，并通过精密研磨垫片实现光栅姿态的微调，从而保证拼接光栅在长期使用过程中能够保持高度稳定性。经过多轮迭代调整，成功完成了一块尺寸为110 mm × 440 mm的高精度拼接光栅实验工作。使用商用干涉仪对其波前进行检测，结果显示波前PV值为0.897λ，RMS值为0.149λ，充分表明拼接光栅达到了高精度要求。进一步通过长期静置与振动实验验证，该拼接光栅在长期运行条件下能够维持优异的波前稳定性，为大尺寸光栅在天文光谱仪中的实际应用提供了可靠保障。