刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法

光栅刻线误差与基底面型误差影响平面光栅衍射波前、分辨本领、鬼线、卫线及杂散光等光谱性能,研究光栅性能指标与光栅刻线误差及基底加工误差之间的因果关系,对提高光栅质量极为重要。根据光栅衍射中产生的源于刻线误差与面型误差的光程差,推导出了在光栅锥面衍射情况下的光栅刻线误差、基底面型误差、入射角θ、衍射级次m与衍射波前关系的数学表达式,得到构建非理想光栅衍射波前的理论模型。以理论模型为依据,采用干涉仪测量光栅对称级次衍射波前,实现在测量结果中对光栅刻线误差与基底面型误差的分离,并基于二维快速傅里叶变换分析光栅衍射波前,考察了刻线误差与面型误差对光栅性能指标的影响。借助此方法通过重构的光栅衍射波前,分析光栅分辨本领、鬼线等光谱性能,还可以反演光栅全表面刻线误差与面型误差的大小,为光栅基底加工、光栅制造和使用技术提供理论依据。     

基于槽形函数拟合的刻划光栅衍射特性分析方法

作为对光栅刻划工艺的理论指导，提出了一种基于槽形函数拟合的机械刻划光栅衍射特性分析方法，解决了高刻线密度光栅衍射效率测量值与理论值偏差较大的问题.以刻线密度为1200l/mm的紫外光栅为例，对光栅主截面上的实际槽形纵横坐标扫描取值，进而拟合出槽形函数，经理论计算找到了导致衍射效率偏低的原因，并通过改进工艺，使光栅衍射效率提高了约20%. 关键词： 刻划光栅 槽形函数拟合 衍射特性 分析方法     

光栅刻划机直线度误差补偿的研究

中阶梯光栅是一种特殊的衍射光栅, 它以高的衍射级次和大的衍射角来工作, 具有高分辨率、全波闪耀等特性。已广泛应用于高端光谱仪器之中,极大地促进了航天航空、天文、医疗、军事、环境等尖端科技的发展。但是专业的刻划系统需要定制,价格昂贵。使用已成熟的超精密加工设备来加工中阶梯光栅,可以大大降低中阶梯光栅母版的制备成本。超精密单点金刚石车床制备中阶梯光栅时,系统直线度不好,存在较大的累积误差,导致中阶梯光栅衍射波前较差,达不到制备要求。为了减小超精密单点金刚石车床固有的直线度误差,对超精密单点金刚石车床进行了误差补偿。首先,以累积误差曲线为依据进行第一次补偿。实验结果表明,当补偿系数为0.75～0.85时,此时衍射波前的PV(峰谷值)值在约400 nm,一次直线度补偿效果到达极限。然后,以闪耀级的衍射波前曲线为依据进行第二次直线度补偿,二次补偿后的衍射波前PV值为约83 nm。补偿后的结果表明衍射波前得到大幅改善,有利于提高所制备光栅的质量,在光栅实际刻划中具有指导作用。     

光栅刻划机进给导轨直线度误差对光栅衍射波前及杂散光的影响

对光栅刻划机的进给导轨直线度误差做了系统的研究,推导了直线度误差对光栅衍射波面和杂散光的影响的计算公式,并且定义了干涉仪测量轴线到刻线始端这段距离为定位臂。得出以下结论:定位臂会放大进给导轨的直线度误差;光栅的衍射波前和杂散光强度主要受定位臂和导轨直线度大小的影响,若定位臂为50 mm,则水平方向直线度误差必须小于0.15″,若定位臂为10 mm,则水平方向直线度误差必须小于0.74″;与竖直方向的直线度相比,刻划机对进给导轨水平方向的直线度要求更高。理论推算与实验结果相符。     

曝光系统离焦对平面全息光栅衍射波前的影响

波前像差是衍射光栅的重要技术指标，它直接影响光栅的分辨率。由光致刻蚀剂记录两束相干光干涉条纹是制作全息光栅的关键步骤。为了提高全息光栅曝光系统调整精度、减小离焦、降低光栅的衍射波前像差，从离焦对反射球面准直镜的准直光平行度的影响程度出发，分析了准直光平行度对全息光栅衍射波前像差的影响。理论分析和数值模拟结果表明，准直镜调整误差直接决定全息光栅衍射波前像差大小。以3种不同刻线密度光栅为例，得出了准直镜调整误差的允许变化范围。     

紫外刻划光栅母版及二代版衍射特性的模拟与分析

运用微分理论对刻线密度为1200 lp/mm的紫外刻划光栅母版及其二代复制版的衍射特性做了模拟,指出了二者之间存在的差异,并与测试结果做了对照。数值模拟表明,紫外刻划光栅二代复制版的衍射特性与其母版略有不同,原因是光栅槽形发生了改变,分别给出了采用多项式拟合槽形函数和傅里叶级数拟合槽形函数的方法。此理论分析方法为澄清光栅复制工艺中的争议完善翻版技术以及寻找提高紫外光栅衍射效率的途径提供了很好的理论参考依据。     

制作高密度衍射光栅的光电式刻划控制的研究

高精度的光电式刻划控制系统是制作高密度母光栅的关键技术,以光栅干涉仪为控制核心,设计了光电式的光栅刻划控制系统,并对可能产生的加工误差进行了初步的分析;采用该控制系统的光栅刻划实践表明,所设计的光电式刻划控制系统已完全达到了高密度衍射光栅的亚微米栅距分度要求。     

丝杠精度双频激光干涉测量中的阿贝误差实时补偿

提出一种利用双频激光干涉仪检测光栅刻划机分度丝杠的新型光路结构,推导出用于阿贝误差补偿的快速修正计算式,实现了丝杠测试过程中阿贝误差的实时修正,通过修正使不满足阿贝原则的测量系统获得了较高的测量精度。另外该方法还通过调整参考镜角锥棱镜消除了测量过程中丝杠轴向窜动引起的测量误差。实验结果表明,采用提出的方法在300mm的丝杠行程内修正的最大阿贝误差为1．39um,补偿后最大残差仅为0．48um,有效地提高了丝杠测量精度。     

拼接光栅对压缩系统中的误差补偿

 根据失调拼接光栅对压缩系统模型，推导了拼接误差引起的角色散公式。针对光栅拼接中的转角误差和光栅常数误差，得到了误差间的相互补偿关系式，并对补偿方式进行了讨论。研究结果表明：绕光栅平面内垂直于刻线方向的转角在一定范围内可以补偿绕光栅厚度方向旋转造成的误差；绕光栅刻线方向的转角可以补偿光栅常数不同造成的误差；绕光栅平面内垂直于刻线方向或绕光栅厚度方向的转角在一定范围内也可以补偿由光栅常数不同造成的误差。前两种补偿方式的补偿效果较好。     

衍射光栅刻划机

本文介绍了长春光学精密机械研究所研制成功的四台衍射光栅刻划机。该机自1958年开始设计。1号、2号光栅刻划机为机械型,分别于1959年、1965年安装调试完毕。3号、4号光栅刻划机为光电干涉控制型,分别于1970年、1975年制成,每台光栅刻划机都有自己的特点。4号机连续运动时的锁相误差平均为1/100条纹,个别的最大不超过1/36条纹。利用这些类型的光栅刻划机已刻划出许多平面光栅,最大的刻划宽度达185毫米,刻线密度从每毫米60条到1200条。实测分辨本领最高达20万,相对效率最高达90％,一级罗兰鬼线最低为4×10~(-5),赖曼鬼线观察不到。     

Reducing the line curvature error of mechanically ruled gratings by interferometric control

Line curvature error greatly influences the quality of the diffraction wave fronts of machine-ruling gratings. To reduce the line curvature error, we propose a correction method that uses interferometric control. This method uses diffraction wave fronts of symmetrical orders to compute the mean line curvature error of the ruled grating, taking the mean line curvature error as the system line curvature error. To minimize the line curvature error of the grating, a dual-frequency laser interferometer is used as a real-time position feedback for the grating ruling stage, along with using a piezoelectric actuator to adjust the stage positioning to compensate the line curvature error. Our experiments show that the proposed method effectively reduced the peak-to-valley value of the line curvature error, improving the quality of the grating diffraction wave front.     

脉冲压缩光栅光路调节新方法研究

介绍了一种简单而实用的大口径脉冲压缩光栅光路调节方法,有效解决了普通光路调节方法中轴向调节精度不高的问题。首先由全息透镜(光栅)成像公式出发,推导出了该光路调节的基本原理。并从光栅记录系统与光栅衍射波像差的关系,结合初级像差理论推导得出叠栅条纹像差为0.4786λ,大约是光栅衍射波像差(0.25λ)的两倍,利用此关系也可对光栅衍射波像差进行实时监测。从数值模拟结果可知,利用叠栅条纹法调节光路可将光栅波像差减至0.06λ,相应的轴向误差量为0.007 mm,可有效提高了轴向调节精度。     

利用泽尼克系数求取衍射光栅的分辨本领

光栅分辨本领检测设备的焦距通常达几米甚至十几米,采用直接测量法难度大、成本高,利用衍射波前间接求取光栅分辨本领是解决该问题的有效途径之一。在光栅光谱成像傅里叶变换理论基础上,建立了利用泽尼克多项式拟合系数求解衍射光栅分辨本领的归一化模型,揭示了光栅衍射波前与分辨本领的求取关系,提出了依据泽尼克多项式拟合系数求取衍射光栅分辨本领的新方法。根据该方法实测了一块衍射光栅的分辨本领,并与直接测量法进行对比测试。结果表明该方法误差小于4.42%,降低了分辨本领的测试难度,是衍射光栅分辨本领求取的有效手段,应用于ZYGO干涉仪等仪器中,通过简单的波前测试即可得到定量的衍射光栅分辨本领指标。     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

A modified phase diversity diffraction wavefront sensor with a grating

The phase diversity wavefront sensor is one of the tools used to estimate wavefront aberration, and it is often used as a wavefront sensor in adaptive optics systems. However, the performance of the traditional phase diversity wavefront sensor is limited by the accuracy and dynamic ranges of the intensity distribution at the focus and defocus positions of the CCD camera. In this paper, a modified phase diversity wavefront sensor based on a diffraction grating is proposed to improve the ability to measure the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency. The basic principle and the optics construction of the proposed method are also described in detail. The noise propagation property of the proposed method is also analysed by using the numerical simulation method, and comparison between the diffraction grating phase diversity wavefront sensor and the traditional phase diversity wavefront sensor is also made. The simulation results show that the diffraction grating phase diversity wavefront sensor can obviously improve the ability to measure the wavefront aberration, especially the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency.     

A modified phase diversity wavefront sensor with a diffraction grating

Phase diversity wavefront sensor is one of the useful tools to estimate the wavefront aberration, and it is often used as a wavefront sensor in adaptive optics system. However, the performance of the traditional phase diversity wavefront sensor is limited by the accuracy and dynamic ranges of the intensity distribution at focus and defocus positions of the CCD camera. In this paper, a modified phase diversity wavefront sensor based on a diffraction grating is proposed to improve the ability to measure the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency. The basic principle and the optics construction of the proposed method are also described in detail. The noise propagation property of the proposed method is also analysed by using the numerical simulation method, and comparison between the diffraction grating phase diversity wavefront sensor and the traditional phase diversity wavefront sensor is also made. The simulation results show that the diffraction grating phase diversity wavefront sensor can obviously improve the ability to measure the wavefront aberration, especially the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency.     

自适应光学中的非等晕性

本文讨论了自适应光学中非等晕域对补偿效果的影响,提出了一种减小非等晕性误差的新方法—位相梯度法。分析结果表明,该方法可显著增大有效校正的角范围,使非等晕性误差的影响大大减小。我们预期位相梯度法有望解决自适应光学中信标的非等晕性问题。