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。

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。

为了制作大面积拼接光栅，对全息光栅拼接误差进行了分析。利用参考光栅与光场光栅形成的莫尔条纹来控制拼接光栅位置和误差，确定了参考光栅莫尔条纹间距、倾斜度及相位与拼接光栅位置之间的关系。研究了参考光栅面和拼接光栅基片不平行时莫尔条纹与拼接光栅条纹的相位一致性，计算了光程差漂移对拼接光栅相位对准误差的影响，分析了工作平台移动对光栅拼接误差的影响。得出光栅拼接总误差为0.15λ，该误差接近光栅拼接精度要求，通过实验验证了全息光栅拼接误差分析的正确性。结果表明，利用参考光栅进行全息光栅拼接是可行的。全息拼接光栅的误差分析为制作米量级高精度拼接光栅提供了理论支持。

分析了两种光栅拼接调整机构（三角形和L形），利用有限元分析软件对这两种光栅调整机构进行了模态分析和优化分析设计。相同光栅尺寸下（以口径为450 mm×420 mm×60 mm光栅为例），驱动器三角形分布的固有频率与L形分布的固有频率相差无几，一阶频率分别为58.816 Hz和58.864 Hz。对两种驱动器布置方式引入的误差进行了分析比较，计算结果表明:三角形调整机构的最大误差比L形的大，同时三角形分布控制算法较L形的复杂。在主动控制中三角形模型误差迭代次数多，不利于控制。因此L形的压电驱动器布置方式优于三角形。

光栅拼接是解决光栅口径限制的一种有效途径，而光栅拼接的难点是子光栅的精密调整和稳定性保持。为实现子光栅的精密调整，采用了差动螺纹和压电驱动器两级驱动调整机构，子光栅调整精度可达纳米量级；为提高光栅拼接架结构稳定性，对影响光栅拼接架结构稳定性的因素进行了理论分析，根据分析结果,设计了新型的光栅拼接架，采用整体式支撑结构以提高光栅拼接架的固有频率，用柔性铰链代替弹簧以提高子光栅与光栅支撑架的联接刚度，光栅拼接架的稳定性得到大幅提高。经实验测试，拼接架的稳定时间超过1 h，子光栅间相对位移标准差为35.7 nm，拼接架满足使用要求。

大面积衍射光栅的研制一直是研究的重大课题之一，同时大面积衍射光栅的制作以及获取是光栅研制的一个技术难点，啁啾脉冲放大（CPA）技术的出现更加加剧了对米级光栅的需求。由于大口径光栅制造技术难实现和经济代价高昂的限制，因此采用拼接的方法增大光栅的尺寸成为公认的经济有效的途径。详细介绍了光栅拼接的理论研究，并在此理论指导下，重点介绍了光栅拼接的实验研究，这些研究包括拼接误差检测准直、拼接误差精密调整以及光栅稳定性控制研究。

光栅拼接是解决光栅口径限制的有效途径，而结构稳定性成为光栅拼接研究中面临的主要难题。目前使用的光栅拼接架稳定性不能完全满足实验需要，为明确影响光栅拼接稳定性的主要因素，采用多通道振动测试仪对环境振动进行了测试，结果表明供热通风与空气调节(HVAC)振动是影响光栅拼接架稳定性的主要因素；采用实测功率谱作为激励，对光栅拼接架进行了优化分析，分析结果表明增加结构阻尼比可以降低拼接架动态响应；根据有限元分析结果，采用高阻尼材料对拼接架运动结合面的连接状态进行了改进，实验表明改进后的光栅拼接架动态响应大幅减小，同时稳定时间得到延长。

分析了将多块较小的光栅使用机械拼接的方式制成超大面积光栅, 能解决大面积光栅目前无法整块生产的情况, 在实际拼接中光栅会出现很微量的应力变形。根据拼接光栅通常的形变特点, 采用标量衍射理论建立了光栅形变的理论模型, 并就两块光栅拼接的情况进行了计算和分析, 发现形变同拼接误差一样, 会对光栅的远场光强产生负面影响, 微小的变形量都对远场光强造成破坏, 因此对衍射光场的影响不可忽略；获得了光栅机械形变的容限；最后给出了预防形变的措施:可着重减小y方向上约束, 并使用多层介质膜光栅降低光栅对能量的吸收。

采用宏/微结合双驱动的少自由度并联进给结构,给出了一种光栅拼接装置设计算法。宏动部分是5PTS-1PPS型并联机构,采用步进电机驱动滚珠丝杠形式的进给机构;微动部分是5TSP-1PPS型并联机构,采用压电陶瓷驱动柔性铰链形式的进给机构;二者串联构成光栅拼接机构。计算了宏动部分和微动部分的并联机构自由度,利用并联机构运动学的逆解推导出该装置的控制算法,并根据控制算法进行了宏动、微动机构点位控制的运动学仿真。为了提高机构的定位精度,分析了机构的系统误差并提出了误差修正方法。最后,将以上算法应用到光栅拼接装置中。实验结果表明:宏动部分最大移动定位误差为3.6 μm,最大转动定位误差为4.4 μrad;微动部分最大移动定位误差为0.06 μm,最大转动定位误差为1.2 μrad;基本满足光栅拼接系统的精度要求。