大尺寸反射式光栅是提高天文光谱仪分辨率和啁啾脉冲放大系统输出能量的核心元件。随着天文和激光核聚变技术的发展, 大尺寸反射式光栅的研制已成为国内外学者研究的热点。相较于单块大尺寸反射式光栅的研制, 拼接法以其难度系数低、制作成本低和待拼接的小光栅易制作、质量高等优点成为了制作大尺寸反射式光栅的主要方法。本文介绍了大尺寸反射式光栅拼接技术的基本原理, 详细综述了光栅拼接技术的研究进展, 包括光栅拼接误差检测理论、光栅拼接误差分离、拼接光栅波前相位校正、光栅拼接误差维数的削减和光栅拼接装置, 最后总结了光栅拼接技术的优缺点并指出了其未来的发展方向。

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题，分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型，分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求，设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500 mm×500 mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。 结果显示：入射光角度误差为1°，拼接光路中绕x轴，y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1 μrad，0.003 3 μrad和0.348 2 nm时，引起波前差为2.590 1 nm。根据这一计算结果，给出了干涉仪角度调节装置的设计指标，即设置角度调节分度为0.1°时，可满足大尺寸光栅复制拼接要求。

衍射波前质量是衡量刻划光栅性能的重要指标之一, 光栅刻划机若存在阿贝误差, 将直接影响刻线位置精度, 从而影响光栅的波前质量。建立了刻划机阿贝误差与光栅衍射波前质量的物理模型, 并分析了该误差对波前质量的影响。针对该误差设计了一种基于双频激光干涉测量的阿贝误差测量光路, 测量了刻划机的阿贝误差, 根据物理模型对其导致的光栅衍射波前误差作了仿真分析, 并提出了基于双层工作台结构的误差控制校正方法。对两块尺寸为80 mm×100 mm、刻线密度为79 groove/mm的中阶梯光栅进行了阿贝误差校正前后的对比刻划实验。结果表明, 通过对阿贝误差的测量和校正, 光栅闪耀级次为-36级的衍射波前误差由0.529λ降低至0.159λ(λ=632.8 nm), 有效地降低了阿贝误差对光栅衍射波前质量的影响。

凹面衍射光栅兼具色散分光与光束聚焦功能, 同时具有像差校正、 低杂散光、 无鬼线和高信噪比等优势而受到光谱仪器领域的广泛关注。 衍射效率作为凹面光栅最重要的技术指标之一, 其测量技术水平逐渐成为光谱仪器行业最为关注的课题之一。 传统方法一般采用双单色仪结构实现凹面光栅衍射效率的测量, 该方法主要存在两方面问题, 一是测量标准反射镜和待测光栅的出射光谱带宽不同, 二是光栅叠级、 杂散光的影响; 上述问题的存在降低了高性能凹面光栅衍射效率测量的准确性。 本文提出了一种基于傅里叶光学原理测量凹面光栅衍射效率的新方法; 针对该方法建立了凹面光栅衍射效率测量的数学模型, 并采用光学追迹和傅里叶光学方法相结合对其进行了仿真分析, 从而验证了该方法的正确性; 针对动镜横移误差、 倾斜误差、 光源稳定性、 动镜运动距离误差等因素影响凹面光栅衍射效率测量精度的问题, 提出引入辅助探测器的方法来进一步提高衍射效率测量精度, 并对有无辅助探测器情况下的上述误差对衍射效率的影响进行了数学推导和仿真分析, 分析结果表明引入辅助探测器可以有效抑制了上述误差对凹面光栅衍射效率测量的影响。 对比传统双单色仪测量方法而言, 该方法不仅能够解决传统测量方法存在的问题, 同时还具有多波长同时测量、 高光通量、 高分辨率、 高波数精度等优势, 可以有效提高凹面光栅衍射效率的测量精度和测量效率。

复制拼接是天文领域目前制作大面积平面衍射光栅的重要方法之一。光栅复制拼接需要相应的拼接系统，从成本控制和光栅研制周期角度考虑，一套常规拼接系统应适用于不同参数光栅及不同检测波长的拼接，并且系统拼接精度必须满足光栅拼接要求。根据夫琅禾费远场衍射原理，建立双光栅拼接系统的五维误差理论模型，分析了入射光波长、衍射级次、光栅常数、入射角等参数改变时的拼接误差及其变化趋势，并根据实际拼接需求给出了上述参数的变化范围。计算得到了当光栅参数及检测条件变化时能够满足使用要求的拼接误差精度指标。所得出的拼接误差变化趋势及拼接精度指标对于设计复制光栅拼接系统具有指导意义。

光栅拼接法是目前制作大尺寸平面衍射光栅的重要方法之一，而拼接误差是评价拼接光栅是否能够使用的重要指标之一。实时定量测量拼接误差，能够实现对拼接误差的自动闭环调整，通过实时指导拼接提高光栅拼接的精度。建立了衍射波前与光栅拼接误差关系的数学模型，分析了干涉仪测量光栅拼接误差的原理，用ZYGO干涉仪实现拼接光栅0级及-1级衍射波前的数字化定量提取，分析并计算了拼接误差波前，得到五维拼接误差的数值解。利用拼接光栅-2级的衍射波前验证五维拼接误差结果的准确性，实验结果表明由0级、-1级、-2级拼接波前计算的拼接误差具有较好的一致性，为利用波前检测光栅拼接误差并实现自动化闭环调整提供了理论指导。

设计和制作了一种在同一基底上具有多闪耀角的宽波段全息-离子束刻蚀光栅.提出了组合形成宽波段全息-离子束刻蚀光栅的分区设计方法,优化了3种闪耀角混合的宽波段全息光栅设计参数,并利用反应离子束刻蚀装置对该光刻胶掩模进行刻蚀图形转移,采用分段、分步离子束刻蚀技术开展了获得不同闪耀角的离子束刻蚀实验.最后在同一光栅基底上分区制作了位相相同,并具有9,18,29° 3个不同闪耀角,口径为60 mm×60 mm,使用波段为200~900 nm的宽波段全息光栅.衍射效率测试结果显示其在使用波段的最低衍射效率超过30%,最高衍射效率超过50%,实验结果与理论计算结果基本符合.与其它方式制作的宽波段光栅相比,采用宽波段全息-离子束刻蚀光栅不但工艺成熟,易于控制光栅槽形,而且光栅有效面积尺寸较大,便于批量复制.

由于大型衍射光栅刻划机刻划系统的双拉杆结构不能使其满足精度指标要求,本文设计了一套单拉杆结构.讨论了石英导轨分度方向弯曲误差产生的原因及其减小该误差的方法,分析和比较了两种拉杆结构的鞍型滑块的受力情况.基于材料力学弯曲变形理论,建立了石英导轨分度方向弯曲误差模型.在该模型的基础上仿真了双、单拉杆结构下刻划系统的石英导轨在分度方向上的弯曲变形误差.最后,使用双频激光干涉仪对石英导轨上的两个特征测量点进行了测量.测量结果显示:改进后的拉杆结构使得石英导轨在两特征测量点处的位移误差由50.36 nm降低到小于10 nm,满足大型衍射光栅刻划机刻划系统在分度方向上5~10 nm的精度指标要求.

尝试在大型衍射光栅刻划机中使用气浮导轨承载金刚石刻划刀具系统运行。气浮导轨同时承担刀具系统的承重与导向任务，由于使用气体作为润滑剂而接近零摩擦状态，可以避免触点磨损及低速爬行现象。分析了气浮导轨工作过程中产生的误差及该误差对刻划刀具运动轨迹的影响，并使用双频激光干涉仪测量刻划过程中刻划刀具运动的直线度误差。测量结果表明，金刚石刀具系统单向行程400 mm 时，该误差约为200 nm，小于使用石英导轨承载刀具系统时的误差，同时在高频振动方面有明显改善。刻制一段79 gr/mm，400 mm×500 mm 的中阶梯光栅，观察其衍射光斑并使用照度计检测得其不同位置杂散光强度为0.2‰~5‰，实验结果表明使用气浮导轨承载刻划刀具可以满足光栅刻划精度要求。

衍射波前质量是刻划光栅的重要性能指标之一，对于机械刻划光栅，刻划机的刻线定位精度直接影响光栅的波前质量。建立了刻划机固有存在的刻线位置和转角误差与光栅衍射波前误差间的数学关系，分析了各误差对衍射波前质量的影响。针对该误差设计了一种基于双频激光干涉测量的刻划机刻线位置和转角误差测量的光路，并提出了一种主动控制技术，即采用单压触动器校正刻线位置和转角误差的方法。根据该校正方法设计了刻划机的双层光栅承载工作台结构，并进行了尺寸为80 mm×60 mm、刻线密度为194 line/mm 的光栅刻划实验。实验结果表明，刻划光栅的衍射波前误差由0.23λ 降低至0.093λ (λ = 632.8 nm) ，并且原子力显微镜测试光栅刻槽质量符合理论设计要求。