柱面光栅VUV时空分辨谱仪设计

从理论和实验两方面分析了柱面光栅的衍射特性,并给出用于托卡马克等离子体真空紫外光谱时空分辨测量的柱面光栅单色仪设计方案。     

线性化求解非线性记录光栅耦合波方程

采用折射率调制特性为上凸型和下凹型的调制曲线,提出了线性化求解非线性记录全息图耦合波方程的方法。以反射相位型全息光栅为例,用耦合波理论分析计算了记录介质折射率调制为上凸型和下凹型调制曲线的体全息图的衍射光谱特性。计算结果表明,折射率调制类型对光栅衍射光谱的带宽有较大影响,对次峰峰值也有影响,而对主峰峰值和峰值位置影响不大。这些结果可以解释实验测得的全息光栅衍射光谱带宽较宽和光栅衍射光谱的多样性。     

应用互易定理优化法设计光通信光栅EI北大核心CSCD

光栅作为光通信系统中的色散型波分复用器,系统通常要求其在近掠入射条件下具有高衍射效率,传统设计方法给出的光栅闪耀角大,工艺上不易实现。基于光栅电磁场理论,提出用光栅互易定理计算光栅槽形初始值,结合衍射效率等高线法优化光栅槽形的设计方法—互易定理优化法。结果表明,C波段TM波-1级峰值衍射效率理论值为94.9%,测量值为92.1%。较传统光栅设计方法,互易定理优化法的应用降低了光通信光栅的制作难度,提高了衍射效率,为掠入射光栅的研制提供了更好的途径。     

双曲柱面透射光栅衍射的数值分析

建立了双曲柱面透射光栅的数学模型。由光程的定义导出平行光通过单个双曲柱面的复振幅透过率。用傅里叶光学方法得出双曲柱面透射光栅在频谱面上的光强分布表达式。使用MATLAB软件模拟出其衍射光强随双曲线半实轴变化的分布规律,得出的衍射花样与理论分析一致。最后从理论上指出双曲柱面透射光栅在光学领域的应用。     

凹面光栅衍射效率的研究进展

凹面光栅因同时具有聚焦和色散功能而广泛应用于各类紫外、可见和红外波段的光谱分析仪器中,尤其是平场凹面光栅可以结合线阵或面阵探测器来实现即时分析。凹面光栅衍射效率的高低直接影响光谱仪器的信噪比和信号采集,其相关研究也逐渐为人们所关注。介绍了凹面光栅衍射效率的研究进展,比较了由机械刻划法和全息法制作的凹面光栅在掠入射下衍射效率的差别,分析了现有计算衍射效率方法的优缺点,并且对凹面光栅衍射效率的研究趋势做了简要预测,提出了需要同时在凹面光栅的主截面和非主截面内考虑光束对其衍射效率的影响。     

消像散掠入射平场光栅谱仪及其在等离子体XUV光谱诊断中的应用

研制成一台由柱面反射镜和球面反射镜组成的掠入射前置光学系统和变间距球面光栅组成的掠入射平场光栅谱仪,它不仅有较高的效率和光谱分辨,调整方便,而且还具有在4.4nm～30nm波长范围里同时获得一维空间分辨光谱的能力.用该谱仪成功地获得了线聚焦激光产生的Si,Cu及其它元素的等离子体柱的轴向空间分辨光谱.该谱仪很适合与具有平直接收表面的光电探测器,如软X射线条纹相机等联用以获得时间分辨光谱.     

全息柱面光栅的设计及其在立体显示技术的应用

根据傅里叶全息光学的基本原理与柱面光栅的分光特性,提出了用马赫-曾德尔光路制作柱面光栅的方法,用其实现图像的立体化.全息柱面光栅是全息术与图像立体化技术的有机结合,制作方法简单,具有一定的实用价值.     

复杂分光仪器中的像差研究

为提高分光仪器的性能,采用两个椭球面镜和一个椭球面消像差光栅分光。光源发出的光线被第一个椭球面镜反射,产生特定的波前,经过光栅衍射以后,不同波长的光波被第二个椭球面镜汇聚到探测器的不同位置上。系统具有复杂的像差特性和成像特性,根据费马原理,参考第二代全息变线距光栅的制作光路和理论,建立坐标系,定义两个椭球面上的入射角和反射角,确定各元件的位置变量,确立基本几何关系,将光程函数分为两部分:由衍射引起的光程变化和几何位置引起的光程变化,将两部分都按级数展开,给出了高阶像差的解析形式。对于平面、柱面、球面光栅和反射镜也可以使用这些公式。像差的解析式和光路也可以用于各种分光仪器中。     

基于光栅衍射原理测量手机屏幕光栅常量的居家实验

基于光栅衍射原理,利用手机屏幕作为反射光栅,设计出2种测量手机屏幕光栅常量的方法,并进行了实验验证.与传统测量手机屏幕光栅常量的方法相比,该方法采取正入射/掠入射方案,有效地避免了测量入射光角度等复杂步骤,具有简单、精准、易居家操作等优点.     

槽型衍射光栅结构参数优化设计研究

通过工程优化方法与衍射光栅矢量理论相结合,对衍射光栅的结构参数进行了优化设计研究。采用严格的耦合波矢量理论分析表面浮雕光栅的衍射效率特性,并建立了具有全局寻优特性的遗传算法在衍射光栅设计中的数学模型;研究了包括双闪耀光栅在内的多种槽型衍射光栅的优化设计。优化设计表明,该方法对初始设计方案没有特殊要求,能够快速得到多种槽型衍射光栅的最优结构参数,优化后光栅的衍射效率可以达到90%以上,双闪耀光栅经优化设计以后在整个波段均能获得很高的衍射效率。在光栅的设计过程中采用全局工程优化算法进行分析设计,为高效率光栅的制作提供了理论指导;同时也为光栅设计的逆问题提供了一种可行的求解方法。     

一种宽波段掠入射平场谱仪的概念设计

等离子体辐射的谱线中包含着等离子体状态的大量信息。因此,探测等离子体状态参数的最有效手段之一就是等离子体辐射的谱线测量。现有的软X射线掠入射平场谱仪由于受到已有掠入射变间距凹面反射光栅的限制,在保持平焦场的情况下,可测量波段范围只有5~40 nm。为了扩展掠入射XUV平场谱仪的测谱范围,首先编制了掠入射变间距凹面反射光栅的光路追踪程序。然后与文献[6]同样条件下的结果进行了数值比较,结果表明我们的程序计算结果与Harada等的结果符合的非常好,从而验证了所编制光路追踪程序的可信性。最后利用所编程序对不同掠入射条件下变间距凹面反射光栅的平焦场变化情况进行了详细的数值研究。通过计算和分析表明,在保持软X射线波段范围5~40 nm为平场不变的情况下,在45~80 nm的超紫外线波段范围内找到了一个满足平焦场条件的平场面直线方程为y=-2.50x+661.11的平场面,从而利用一块掠入射凹面光栅就可以将掠入射平场谱仪的波长范围从5~40 nm扩展到5~80 nm。这个结果即从理论上论证了将传统的掠入射平场谱仪从软X射线波段扩展到超紫外线(XUV)波段的可行性,也为提高了掠入射平场凹面光栅的使用性提出了新的设计思路。     

Ray tracing method for the grazing incidence flat-field imaging soft X-ray spectrometer

A ray tracing method is introduced for helping adjustment and spectra analysis of the grazing incidence flat-field imaging soft X-ray spectrometer. For a single point source, the spectra images obtained by separate components, the toroidal mirror, and the grazing incidence flat-field concave grating with varied line spaces are given respectively. The calculated spectral images of the single point source by the spectrometer are also given for comparison with measurements with different experimental alignments.     

155 mm入射距离的XUV平场光谱仪参量设计

 为了缩短掠入射XUV平场谱仪尺寸以方便其使用,利用建立的光路追踪程序优化研究了当入射距离缩短为155 mm,聚焦面仍满足平面的条件下凹面光栅的各参量对谱线成像的影响。计算表明,对于曲率半径为5 649 mm、光栅标称间距为1/1 200 mm的凹面光栅,当入射距离为155 mm,入射角为87.5°,聚焦参量为-21/R,彗差参量为4.655´102/R2时,可以在12 ~ 40 nm波段内得到优化的成像效果。     

软X射线多层膜反射镜反射率测量

 采用线状激光等离子体作为软X光源,用具有空间分辨的掠入射光栅谱仪对正入射多层膜反射镜进行了反射率测量。谱仪测谱范围20~40nm,谱分辨0.05nm,测得50层C/Al反射镜在中心波长28.6nm处反射率为22%,带宽约为2.5nm。     

带前置光学系统的软X射线透射光栅光谱仪

软Ｘ射线检测是激光等离子体诊断中最复杂而又是最重要的一项工作。本文简要介绍了带有前置光学系统的软Ｘ射线大面积透射光栅光谱仪和用它获得的铝和铜靶激光等离子体的光谱图。     

On the use of curved slits in the concave grating grazing incidence mounting

The image formation by the concave grating in the grazing incidence mounting for the case of a selfluminous entrance slit is studied by exact ray-tracing calculations with respect to the use of long slits in high resolution investigations. It is found that both entrance and exit slits should be curved to provide optimum performance. The slit curvatures derived for one wavelength can be maintained throughout the whole wavelength region from 8 Å to 160 Å and further, if the angle of incidence is varied appropriately. The angles so chosen simultaneously provide nearly optimum diffraction efficiencies. A method to realize curved slits is described.     

A New Differential Method Applied to the Study of Arbitrary Cross Section Microstructured Optical Fibers

The present work adapts a recent grating theory called “Fast Fourier factorization” to cylindrical coordinates in order to study microstructured optical fibers (MOFs). Compared with the classical differential method, this new differential method takes into account the truncation of Fourier series and the discontinuities of the fields across the diffracting surface with the help of new factorization rules. The main advantage of this method is that the directrix of the diffracting cylindrical surface is arbitrary and permits anisotropic and inhomogeneous media although its numerical application needs longer computation time, compared with other well-known numerical methods. The S-propagation algorithm is used to avoid numerical contaminations. The numerical results are validated and compared with the well-established Multipole method in the case of a MOF with six circular cylinders. Further, a new cross-sectional profile (with sectorial inclusions) that the Multipole method cannot consider is studied.     

Diffraction of a two-shock configuration by a concave cylindrical surface

Diffraction of a two-shock configuration by a concave cylindrical surface with a continuously varying angle of diffraction in a perfect (inviscid and non-heat-conducting) gas is numerically investigated. Peculiarities of flow formation in the perturbed region due to a large initial angle of diffraction are revealed. The reasons for the appearance of the reverse flow over the cylindrical surface, which causes a vortex, are found. The influence of the vortex on the behavior of the loose end of the TU layer (slipstream) is studied. It is shown that the structure of the loose end of the TU layer is determined by vortex-related mixing in the gas. The nonstationary interaction of the diffracting shock wave and a sublayer shock with a concave cylindrical wall and the symmetry plane, which is accompanied by a change in the type of reflection, is examined. Published in Zhurnal Tekhnicheskoĭ Fiziki, 2007, Vol. 77, No. 10, pp. 24–33. The article was translated by the authors.