计算凹面闪耀光栅衍射效率的通用方法

为使凹面光栅的衍射能量更多地集中在所需要的级次上,提出了利用机械刻划的方法在凹面基底上制作变刻槽角度的凹面闪耀光栅,并利用菲涅耳-基尔霍夫衍射公式推导了同时在主截面和非主截面内计算凹面闪耀光栅衍射效率的理论方法,弥补了以往只在主截面内考虑衍射效率的不足,最后利用Matlab仿真软件模拟了衍射效率随波长的变化曲线,并对比了在不同制作和使用参数下衍射效率峰值的变化规律,为今后凹面光栅的设计和制作提供了参考价值。     

光栅周期包含的Bragg层数对Bragg型凹面衍射光栅的影响

单个衍射光栅周期所包含的Bragg周期层数是连续Bragg齿型凹面衍射光栅的主要参数之一,该参数可改变光栅齿结构,对凹面衍射光栅的分辨力.自由光谱范围及衍射效率有重要影响.本文通过理论分析与仿真模拟,对比了4种不同层数的Bragg型凹面衍射光栅的特性参数.研究结果表明:在衍射光栅尺寸不变的情况下,改变单个光栅周期包含的Bragg周期层数不会显著提高器件主衍射级次的分辨力;单个光栅周期包含的Bragg周期层数与光栅可衍射的级次数成正相关.单周期层数的Bragg凹面衍射光栅的主衍射级次效率最高,其可衍射的级次数最少,且其他衍射级次分散的能量最少;增加单个光栅周期所包含的Bragg周期层数会降低主衍射级次的自由光谱范围.该研究对于设计低插损、高分辨率、宽工作波段的波分复用器或光栅光谱仪具有重要的指导意义.     

凹面光栅衍射效率测量值的影响因素及补偿方法研究

通过仪器获得的凹面光栅的衍射效率是相对值,其测量值的精度受测量过程和补偿方法的影响。为使效率测量值的测量精度得到进一步提高,有必要对测量值产生影响的主要因素进行深入研究。该文进一步考察了影响衍射效率测量精度的主要因素,针对待测凹面光栅根据待测波长的测试要求进行旋转造成光束截面变化而产生的问题,适当补充原理性方案,并在此基础上推导出了适用于凹面光栅的光束截面变化因子k(θ)的解析表达式。基于影响测量精度因素与理论值之间的非线性关系,提出采用二次非线性回归分析的方法对测量结果进行补偿,给出了提高衍射效率测量精度的补偿公式。实验结果表明,对光栅衍射效率的测量值进行进一步补偿后,使得补偿值与理论值之间的整体误差范围由±2.5%缩小为±0.3%以内,与线性回归分析方法相比,显著缩小了补偿值与理论值之间的差距,进一步保证了衍射效率的准确测量。将补偿过程嵌入测量程序,该方法能够实时补偿测量结果,满足仪器准确测量的要求。     

基于傅里叶光学原理的新型凹面光栅衍射效率测量方法

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。     

面向微小型紫外光谱仪的凹面光栅模拟与设计

针对微型紫外光谱仪设计要求,基于凹面光栅理论与方法开展了微小型紫外光谱仪的像差分析,完成平场化凹面光栅的模拟分析与设计,解决了紫外宽光谱与高分辨率问题,同时应用光栅衍射理论、全息光学理论,采用光栅设计软件PCGrate对凹面光栅的衍射效率进行了设计和优化,使所应用级次的光谱衍射效率在整个设计波段内达到最优,实现了微小型紫外光谱仪的平场凹面光栅设计。所设计紫外凹面光栅工作波长范围190～410nm、口径20mm,F/#=0.21。按照设计参数装调的微型紫外光谱仪在宽度为50μm缝光源再现情况下,光谱分辨率优于3nm,衍射效率无异常出现。     

金属光栅的矢量模态理论

采用矢量模式场展开的方法来研究任意槽形金属光栅对矢量波的衍射效率.当线偏振光在光栅主截面内入射时,其结果与已报道的相同.     

透射光栅的实验标定和衍射效率的理论模拟

透射光栅广泛应用于软X射线能谱测量.为了获得用于惯性约束聚变研究的透射光栅的各级衍射效率及其他参数,在北京同步辐射源上200—1600 eV能量范围内对其进行了标定,获得了透射光栅衍射效率的实验结果.扩展了透射光栅衍射效率的计算方法,提出了7边准梯形截面衍射效率计算模型.分析拟合了实验数据,理论结果与实验结果很好符合.得到了7边准梯形的透射光栅栅线截面结构. 关键词： 透射光栅 衍射效率 实验标定 光栅模型     

光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一,其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅,便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量,文章提出一种全息凸面光刻胶光栅的消像差设计方法,优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将“光程函数级数展开法”和ZEMAX光学设计软件相结合,采用粗精两步优化的方法,显著提高了优化的效率和成功率。ZEMAX对比仿真结果显示,复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。     

Bragg反射齿型平面凹面衍射光栅性能研究

本文基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构, 提出利用一维光子晶体理论进行Bragg衍射光栅的设计并对其性能进行研究分析. 根据一维光子晶体理论, 建立了罗兰圆结构的凹面椭圆Bragg蚀刻衍射光栅, 研究了TE/TM模式下器件的分光特性以及入射角度改变对器件角色散造成的影响; 同时, 文中对比了空气介质型和金属铝线型椭圆Bragg蚀刻衍射光栅的光学性能. 研究结果表明: 选择合适的器件参数, 可以实现TE/TM模式下1.465-1.615 μm范围内波长衍射效率在95% 以上, 且空气介质型结构光栅的通道均匀性要优于金属铝线型结构光栅; 入射角在30°-60°范围内变化时, 相同入射角度下, TM模式下器件角色散大于TE模式. 基于Bragg衍射光栅设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG 波分复用器, 为未来密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

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。     

多层介质膜脉宽压缩光栅的严格矢量分析

用于展宽和压缩激光脉冲的多层膜脉宽压缩光栅是由多层介质高反膜和位于其顶层的浮雕光栅构成。以设计的高反射多层膜为基础,利用傅里叶模式理论分析了其衍射场分布,给出了TE波自准直角入射的使用条件下,多层介质膜脉宽压缩光栅衍射效率的表达式。以-1级衍射效率为评价函数,分别讨论了HfO2和SiO2为顶层材料时,多层膜脉宽压缩光栅-1级衍射效率高于0.95的光栅结构参量范围。结果表明,在该条件下,选择HfO2为顶层材料时,光栅结构参量有较大的取值范围。给出了优化的光栅结构参量,并分析了光栅制作误差及其使用条件的宽容度,对光栅制作工艺和使用具有一定的指导意义。     

Single order soft X-ray diffraction with quasi-random radius pinhole array spectroscopic photon sieves

A novel single order diffraction grating in the soft X-ray region, called quasi-random radius pinhole array spectro- scopic photon sieves （QRSPS）, is proposed in this paper. This new grating is composed of pinholes on a substrate, whose radii are quasi-random, while their centers are regular. Analysis proves that its transmittance function across the grating bar is similar to that of sinusoidal transmission gratings. Simulation results show that the QRSPS can suppress higher-order diffraction effectively. And the QRSPS would still retain its characteristic of single order diffraction when we take the effect of X-ray penetration into account. These properties indicate that the QRSPS can be used in the soft X-ray spectra measurement.     

高衍射效率亚波长结构Dammann光栅的设计

传统的Dammann光栅是基于标量衍射理论设计的二值相位等光强分束器件，其衍射效率的典型值为80%左右.基于严格耦合波分析理论和遗传算法，提出了一种设计亚波长结构Dammann光栅的新方法，且该新型二值相位光栅具有较高的衍射效率.同时利用自编的仿真程序包设计了多个光栅，并分析了制作误差对其衍射效率和光强均匀性的影响.仿真结果表明，用该方法所设计的Dammann光栅的衍射效率超过92%.     

Blazing of smooth gratings

The diffraction efficiency of smooth weak gratings can depend significantly on the profile of the gratings as, in the diffraction process there exists wave coupling. By adjusting the grating profile it is possible to obtain enhancement or suppression of the diffraction efficiency. Possible applications include improvements in grating devices, grating profile reconstruction, and precise control of the slightest periodical disturbances. Some numerical examples are given.     

大角带宽高衍射效率体全息光栅的设计和制备

高性能体全息光栅是全息波导的重要耦合元件,角带宽小、平均衍射效率不高是制约体全息光栅性能的重要因素。以不对称倾斜记录为出发点,设计并制备了大角带宽高衍射效率的体全息光栅。首先讨论在横电模式光和横磁模式光下体全息光栅的记录参数与其衍射效率的关系,找到平均衍射效率较高的记录参数范围,随后进一步分析在此范围内的记录参数与体全息光栅的角带宽的关系,从而确定获得大角带宽高衍射效率体全息光栅的最佳记录参数。实验结果表明:在参考光入射角度为25°、信号光入射角度为30°时,制备的体全息光栅的角带宽达到±14°,衍射效率为82%。     

13.4nm软X射线干涉光刻透射光栅的优化设计

基于严格的矢量耦合波方法,结合纳米级光栅实际制作工艺,定量分析了在13.4 nm软X射线(TE偏振)正入射条件下,光栅材料、厚度、占空比、梯形浮雕底角大小等因素对光栅一级衍射效率的影响.结果表明,在此波段处,Si3N4、Cr、Au浮雕的相位作用对光栅衍射起重要影响,其中非金属材料Si3N4比金属材料Cr、Au的相位作用更明显.最后优化得到了用Si(或Si3N4)做衬底的si3N4、Cr、Au光栅,分析结果显示,其一级衍射效率优于目前用于13.4 nm软X射线干涉光刻的Cr、Si3N4复合光栅.     

离焦量和非单色光对二元相位光栅泰伯像的影响

利用平面波衍射的角谱理论,分析计算了二元相位光栅衍射光场的空间分布,特别讨论了离焦量和非单色光对泰伯像的影响.随离焦量和带宽的增加,泰伯像的对比度和衍射效率减小,而压缩比增加.计算结果指出,在带宽<1000或离焦量<0.01时,其对比度和衍射效率减小不到10%,仍能成较高质量的泰伯像;当带宽>5000或离焦量>0.1时,成像质量显著下降.用薄膜沉积法制作了二元相位光栅,实验验证了理论结果.这些结果对泰伯成像和阵列照明器的设计有重要的参考价值.