软X射线并联平场光栅的设计

为了拓宽软X射线平场全息凹面光栅的工作波段,提出了并联平场全息凹面光栅的优化设计方法。利用遗传算法,将两块工作波段不同的平场光栅设计在同一基底上。两块平场光栅的工作波段分别为2~5nm和5~30nm,两者使用结构完全相同。应用光线追迹的方法,研究了并联平场光栅的分辨特性,其分辨率与现有商用平场光栅的分辨率相当。基于光程函数理论,给出了并联平场光栅的制作光路,理论设计值和光路优化值的线密度偏差在±1line/mm以内。数值模拟结果显示,并联平场光栅既拓宽了工作波段,又保证了分辨率与现有平场光栅分辨率相当,其设计适用于记录更宽波段的软X射线光谱。     

双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计

提出了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计方法.将使用波段一分为二,由两个使用结构相同的平场全息凹面光栅分别进行光谱成像以达到提高光谱分辨率的目的.根据全息凹面光栅像差理论,对光栅的使用结构和两光栅各自的制作结构进行优化求解以校正离焦、像散、彗差和球差等各种像差.据此原理设计了工作波段为200~800 nm、探测器长...     

一台入射距离为155mm的XUV平场光谱仪

利用光路追踪程序对不同入射距离的变栅距平场光栅的成像进行了研究和设计。在此基础上研制了一台与传统平场光栅谱仪不同的入射狭逢到光栅中心距离为 1 55mm的掠入射平焦场谱仪。该谱仪的波段范围为 4～ 4 0 nm,光谱分辨率为 0 .0 1 nm。利用该谱仪成功地获得了 Ti元素的激光等离子体光谱。     

零像散宽波段平场全息凹面光栅的优化设计

平场全息凹面光栅的理想像面应为一平面,此时子午焦线与弧矢焦线均位于像面内且彼此重合,形成接近理想像点的光谱像。但子午焦线总是存在弯曲,只有弧矢焦线在满足一定条件的情况下可以成为直线。鉴于此,提出一种满足平场弧矢焦线条件的平场全息凹面光栅设计方法。利用光学设计软件ZEMAX研究了运用此方法设计的零像散光栅的成像特性,并与原有设计方法得到的结果进行比较。模拟结果显示,满足平场弧矢焦线条件的光栅能够达到与原有方法所设计光栅相当的光谱分辨率,而其全波段零像散特性使其拥有更加出色的弧矢方向聚焦性能,显著提高平场光谱仪的信噪比。     

电子束光刻-近场全息法制作平焦场光栅的误差分析及补偿方法

在激光等离子体诊断等领域中,以平焦场光栅为核心器件的软X射线光谱仪发挥着重要作用。利用电子束光刻-近场全息法制作的平焦场光栅兼具电子束光刻线密度变化灵活,以及全息光栅低杂散光、抑制高次谐波等的特点。采用光线追迹方法分析电子束光刻-近场全息法制作平焦场光栅的主要制作误差对其光谱成像特性的影响。结果表明:电子束光刻制备熔石英掩模和近场全息图形转移过程的制作误差均会导致谱线展宽;以目前应用较多的软X射线平焦场光栅(中心线密度为2400line/mm、工作波段在0.8~6.0nm)为例,当熔石英掩模在光栅矢量方向的长度为50mm时,电子束光刻分区数目应保证在1500以上;熔石英掩模线密度偏差引入的谱线展宽可以通过调整近场全息制作参数来消除;确定了近场全息中的两个主要影响因素——熔石英掩模与光栅基底的间距和夹角;近场全息中各误差因素之间有相互补偿的效果,故除了尽可能消除制备过程中的每一种制作误差外,也可以通过优化不同误差之间的分配来降低制备误差。本研究对优化电子束直写掩模策略、降低掩模制作难度、设计和调整近场全息光路有重要帮助。     

极紫外平场光栅光谱仪的研制和性能测试

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪,用于磁约束等离子体诊断。采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件,光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,掠入射角为3°。一台可深度制冷、背照式面阵CCD作为光谱探测器,用机械快门控制曝光时间。通过CCD在光谱聚焦面的移动,可以记录的光谱范围为5～50 nm。用Penning放电光源测试了光谱仪的性能; 利用光源的标准谱线,进行了波长标定,波长精度为0.003 nm,并计算出系统各参数的实际值;当入缝宽度设置为30 μm时,在20 nm附近,光谱分辨率达0.015 nm,达到设计指标。     

曲率半径误差对平场全息凹面光栅分辨率的影响及其补偿方法

在平场凹面全息光栅的没计制作中,不可避免的存在曲率半径误差,严重影响光栅光谱仪的分辨率.为了从理论上分析并指导光谱仪器的设计和装调,运用几何光线追迹方法计算并分析了不同曲率半径误差下光谱像宽度的变化规律,发现在一个较大的误差范围内子午焦线的位置随着曲率半径的变化前后平移,同时其弯曲程度几乎没有改变.数值计算发现通过调整像面位置或人臂长度均能够补偿曲率半径的误差.数值模拟结果显示,修正使用结构后的光栅能够达到与设计结果相近的成像质量.     

基于全息光学元件的光纤光谱仪的光路设计

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质,包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性,并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础,设计了光谱仪器光学系统的各个参数,通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化,得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm,记录光束之间的夹角为10,一束为平面波,一束为球面波,焦距40 mm,使用+1级衍射光,光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm,体积140 mm*30 mm*40 mm,谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路,利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件,针对汞灯光谱进行了试验,光谱分辨率优于8 nm,测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致,表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

高光谱分辨率紫外平场光谱仪的研制

光栅作为一重要的分光元件,广泛应用于各类光谱仪,其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用,一次实现宽光谱范围的记录。商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数,而不会提供光栅具体的变线距参数,并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。使用者往往只需要其中的一部分波段。针对这种情况,根据球面平场光栅聚焦、分光原理,利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。并给出了利用这些参数,根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪,覆盖光谱范围230~280 nm。采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,使用波段为170~500 nm。推导了该光栅的变线距参数,并针对230~280 nm波段对CCD的安装位置进行了优化。同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。波长标定采用参数拟合法,整个波段范围内的标定精度优于0.01 nm。光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08 nm@280.20 nm。     

双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪

基于CCD的微型平场全息凹面光栅光谱仪,以其简单紧凑的结构和快速高效的工作方式在光谱分析领域获得了广泛的应用。但是,由于受限于色散距离,单纯依靠优化光栅像差很难进一步使光谱分辨率获得大幅提高。提出一种双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪的设计方法,用两个使用结构相同的光栅代替传统的单光栅设计,给出一个光谱范围为400～1000nm光谱仪的具体设计,计算显示光谱分辨率最大可提高为原来的2.5倍。通过对光栅衍射效率的计算分析,说明此方法能够显著改善仪器的通光效率。设计制作了原理样机,进行了装调测试,实验结果与理论计算相吻合。     

平场光栅谱仪相对衍射效率测量

 以激光碳等离子体作为软X射线源,同时用平场光栅谱仪、常栅距光栅谱仪测量了类氢和类氦离子谱线强度,以一级谱线强度为标准,给出了平场光栅谱仪高级次光谱的相对衍射效率。     

Design of aberration-corrected flat-field holographic concave grating by parameter optimization

Based on the aberration theory of concave grating [1], [2], [3], a method to design aberration-corrected flat-field holographic concave gratings by parameter optimization is introduced. And the influence of different parameters such as the incident angle, effective grating grooves and grating radii on the aberrations at diffracted order ?1 is discussed. The results indicate that for a concave grating working in a given spectral range, we can correct aberrations by optimizing the incident angle. In addition, flat-field holographic concave gratings with higher resolution and lower aberration can also be designed by choosing the effective grating grooves and larger grating radius properly.     

可变入射距离平焦场谱仪的概念设计

 从理论上证明了可变入射距离的平焦场软X射线谱仪设计的可行性。对于标称栅距σ₀＝（1/1200）mm和象差修正项M₂₀＝-20/R, R分别为5649和6000mm的光栅, 对不同的入射距离, 计算出与平焦场相对应的入射角和成象距离, 使一定波长范围内的光谱可以被聚焦在一个平面上，从而提高了变栅距光栅使用的灵活性。同时可通过取消谱仪中入射狭缝, 使谱仪的光通量提高约1个量级。     

使用辅助光栅的平面变间距全息光栅加工理论研究

变间距全息光栅具有自聚焦和消像差功能,是高分辨率光谱仪与同步辐射单色器中的重要元件。研究了使用平面等间距光栅产生非球面波,记录平面变间距全息光栅的方法。根据几何光学的光线追迹理论,推导了光栅参量的四阶解析表达式。并基于费马原理,提出了记录光路的光线追迹数值算法。应用所推导的光栅参量四阶表达式,仿真设计了变间距全息光栅。通过合理选择记录参量,可以避免光栅基底受到零级及高阶衍射光场的影响。设计结果表明,理论光栅线密度与要求值相当符合;经光线追迹数值算法验证,解析表达式的展开误差在整个记录区域内小于1.5线;考虑到实际加工工艺允许误差,使用辅助光栅的记录光路对记录参量的误差并不敏感;设计实例证明了解析表达式的有效性,以及使用辅助光栅的记录光路的优越性。     

平面全息光栅刻线密度的倍频式调整方法

刻线密度准确与否直接影响光栅色散及给定波长的衍射方向,进而影响光谱仪器结构设计.为了提高全息光栅刻线密度的制作精度,提出了平面全息光栅刻线密度的倍频式调整方法.将给定刻线密度的基准光栅放在干涉场曝光区域内,调节光束干涉角,干涉场曝光光束经基准光栅衍射后,根据调整光栅刻线密度的不同选择不同的衍射级次相互叠加形成莫尔条纹,...     

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.     

宽谱高分辨平场凹面全息光栅光谱仪设计

为了获得宽谱、高分辨的平场凹面全息光栅,将全息凹面光栅理论、遗传算法、衍射级次空间共用和同时消像差思想融合在一起,提出设计宽谱、高分辨平场凹面全息光栅的方法,给出了实际设计步骤。通过Zemax软件光线追迹仿真具体实例,给出了200～800nm波段的点列图变化曲线[均方根(RMS)约为11μm],以10μm×1mm狭缝入射,其光照度光谱图显示光谱分辨率在200～400nm波段为0.25nm,在400～800nm波段为0.5nm。该方法可以用于设计小型化、实用化的宽谱和高分辨平场凹面全息光栅光谱仪光学系统。