衍射波面像差及其远场衍射光场分布是大口径脉冲压缩光栅质量的重要体现。为进一步优化拼接光栅的远场光斑能量分布，提出了一种光栅并列拼接法。模拟了各种不同像差情况下的光栅并列拼接和光栅对准拼接案例，计算了对应波面的远场衍射光斑能量分布。统计结果表明，光栅并列拼接波面峰谷（PV）值比对准拼接波面PV值小。但光栅远场衍射光斑能量分布情况与像差种类、拼接方式均有关系。进行了全息光栅曝光拼接实验，结果表明光栅并列拼接法不仅可以降低光栅-1级衍射波面像差的PV值，也能够提高远场衍射光斑能量集中度，为全息拼接光栅提供了一种新的方法。

共相光栅拼接技术是目前研制米级大尺寸阶梯光栅的重要手段，位移误差调整精度对光栅的拼接精度有决定性影响。为消除拼接光栅中的周期性位移误差，实现大尺寸阶梯光栅的共相拼接，从理论出发分析了位移误差对拼接光栅点扩散函数的具体影响，并基于干涉测量原理，提出了一种基于迈克耳孙干涉系统，利用白光和双波长测量技术相结合的光栅拼接位移误差检测调整方法。通过对比不同调整量下干涉条纹位移变化的模拟计算结果与纳米位移平台实验结果，分析了傅里叶分析算法的计算精度，进而实现了位移误差的精确调整。实验计算结果表明，白光双波长测量技术实现的拼接光栅位移误差Δz小于6 nm，可满足大尺寸拼接光栅的共相检测要求。

阶梯光栅共相拼接技术是实现增大光栅尺寸、进一步提高天文光谱分辨率(天文光谱分辨率R>10 5)的关键。为了提高中阶梯拼接光栅的调整角度精度,本文基于干涉条纹傅里叶分析,提出了一种干涉条纹空间载频频率的九像素平均算法;然后结合干涉条纹光栅拼接技术,模拟了不同角度偏差下的条纹变化及其相应的傅里叶分析角度计算,在实验上实现了对系统角度调整系数的标定以及对傅里叶算法计算的调整偏角精度的分析,获得了拼接光栅调整系统中角度最大计算误差精度小于0.4 μrad的结果,为天文上应用的大尺寸拼接光栅的共相调节提供了理论支持。

为实现大口径拼接光栅拼接误差的高频高精度补偿的工程应用, 提出了一种基于小口径反射镜补偿大口径拼接光栅压缩器拼接误差的方法。基于双程Z型压缩器, 分析了小口径反射镜补偿量与拼接误差的关系, 采用光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理定量计算了各拼接误差补偿后对远场能量分布的影响, 证明了该方法原理的正确性, 并得到了直接驱动光栅与反射镜补偿时的各误差容限, 结果表明该方法能极大降低拼接光栅的精度要求。

光栅拼接技术是获得拍瓦激光系统中大口径光栅的一种有效技术途径。通过设计五自由度并联拼接机构, 采用滚珠丝杠+压电陶瓷的宏/微双重驱动技术实现毫米工作范围内纳米精度的定位。通过基于有限元法的位移耦合特性分析表明, 该机构具有较高的线性度, 位移耦合所产生的误差为纳米级, 光栅拼接的相对角度偏差小于0.2 μrad, 位移偏差小于20 nm。将两块200 mm×400 mm的光栅安装在该拼接机构上进行实验研究, 获得了清晰的远场焦斑图像, 证明该机构可以满足大口径拼接光栅系统的精度要求。

全息光栅拼接参数需要用参考干涉条纹来检测。系统像差会造成干涉条纹扭曲, 产生光栅拼接误差。为补偿像差造成的光栅拼接误差, 对像差与干涉条纹扭曲量之间的理论关系进行了研究, 利用计算机模拟了参考干涉条纹图像, 并将光栅拼接误差预调制到参考干涉条纹图像中。为验证该方法的有效性, 在曝光系统像差峰-峰值为0.72λ的情况下进行了光栅拼接实验, 在光栅拼缝处像差造成-1级衍射波面最大突变量为0.36λ。利用预制参考干涉条纹图像作为拼接参考时, 其最大突变量为0.097λ。实验结果表明, 在曝光系统像差较大的情况下, 干涉条纹预制法能够有效地控制光栅拼接误差。

激光约束核聚变系统需要大口径脉冲压缩光栅。全息光栅拼接法是制造大口径光栅的重要手段。针对有像差的全息曝光系统，提出了一种拼缝处光栅对准拼接方法。为研究像差对光栅拼接特性的影响，用随机波面进行了光栅模拟拼接，计算了远场衍射能量分布与拼接误差的关系。实验拼接了（150+150）×200 mm2口径光栅，其拼接均方根误差值为0.034λ，峰-峰误差值为0.110λ。利用光栅±1 级衍射波面，计算得到了曝光系统像差，并模拟了拼缝处最小拼接误差，其均方根误差值为0.016λ，峰-峰误差值为0.105λ。结果表明，拼接误差与理论模拟结果相近。该误差不会造成远场衍射光斑能量明显下降。由此证明了该方法的可行性。

为了研究大口径拼接压缩光栅的固定像差和随机像差对光学拼接的影响, 采用数值模拟的方法, 理论分析了参考光栅的衍射光斑特性。在有效判据的基础上, 得到了光栅的拼接精度。结果表明, 当拼接子光栅的波像差为1.0λ时, 其最大拼缝偏差约为0.26个光栅周期, 采取人工干预后, 最大拼缝偏差增加到0.42个光栅周期。与此同时, 最大角度偏差约为0.71μrad, 两种特性参量均比无像差时的拼接要求大幅度降低。这一结果对高能量皮秒激光装置的改进有一定的积极意义。

以拼接光栅作为色散元件的激光脉冲压缩器中，要求脉冲压缩光栅表面光强分布均匀、能量输出效率高。利用菲涅耳-基尔霍夫衍射原理对脉冲压缩光栅表面光强和远场光强分布进行了研究。计算了拼接光栅缝隙宽度对光栅表面光强变化量和远场光强极大值的影响。在利特罗角附近入射时发现激光脉冲光强分布与拼接光栅缝隙宽度相关，得出了光栅拼接缝隙宽度应控制在0.5 mm以内。适当提高缝隙衍射效率能够改善光强分布均匀性和提高光能量输出，提出了对拼接缝隙采用两次重复曝光以提高其衍射效率的方法。

针对平行光栅对结构的压缩器和圆形入射光束，建立了光栅拼缝所引起的光谱剪切的数学模型，并模拟了该光谱剪切对压缩脉冲信噪比的影响。与双曲正割型脉冲相比，光栅拼缝对高斯型脉冲信噪比的影响较小。随着光栅拼缝宽度的减小与光束口径的增大，压缩脉冲信噪比得到提高。对于确定的拼接光栅压缩器和光束直径，当脉冲中心波长与光谱剪切中心波长（受到光谱剪切作用的波段的中心波长）相等时，可以得到最高的压缩脉冲信噪比。