用于位移传感器的全息平面变间距光栅设计与制作研究

简述了全息变间距光栅的几何理论.利用遗传算法对记录光路进行了优化计算，提出在目标函数中考虑记录参数误差的影响，推导了目标函数的积分形式，提高了计算效率.针对用于位移传感器的平面变间距光栅，分别计算了球面波干涉及球面波与非球面波干涉情况下的全息记录参数，给出了线密度误差曲线.制作出全息平面变间距光栅，并成功应用于位移传感器中. 关键词： 全息光栅 变间距光栅 遗传算法     

机械刻划光栅的光线追迹方法

为了评价光栅的光谱质量,完成所设计光栅的光线追迹,针对机械刻划光栅的光线追迹提出了一种改进方法.在费马原理的基础上利用光程函数法得到入射光通过光栅后的光谱分布情况,再使用传输矩阵的计算方法构造出光谱的点列图.该方法适用于刻划在平面、球面和非球面基坯上的等间距和变间距光栅,光栅的光谱面可以为平面或者二次曲面. 通过刻划在非球面基坯上的凹面光栅验证了光线追迹方法的可靠性.     

平场全息凹面光栅结构参量误差之间的补偿作用

平场全息凹面光栅的制作和使用中不可避免地存在结构参量误差,包括曲率半径误差、制作结构误差以及使用结构误差.利用光线追迹方法研究了像宽随波长的变化曲线与子午焦线的对应变化关系,有助于光谱仪的设计和装调.通过分析各种结构参量误差对像宽曲线的影响发现,在较大误差范围内,光栅参量误差对子午焦线的影响作用为平移作用和倾斜作用.数...     

基于遗传算法的全息光栅逆向优化设计

光栅是单色仪的核心器件,光栅的像差校正能力对单色仪性能有着决定性作用.本文研究了基于光线追迹点列图数值分析的遗传算法实现,建立了针对全息光栅成像质量的评价函数,并利用遗传算法实现了全息光栅的优化设计.结果表明,利用遗传算法可以简化求解过程,降低最优参量的误差,并克服局部极值的问题,明显优于阻尼最小二乘法.     

基于遗传算法的全息光栅逆向优化设计

光栅是单色仪的核心器件,光栅的像差校正能力对单色仪性能有着决定性作用.本文研究了基于光线追迹点列图数值分析的遗传算法实现,建立了针对全息光栅成像质量的评价函数,并利用遗传算法实现了全息光栅的优化设计.结果表明,利用遗传算法可以简化求解过程,降低最优参量的误差,并克服局部极值的问题,明显优于阻尼最小二乘法.     

Offner展宽器的矩阵光学分析与实验设计

使用矩阵光学的方法得到了Offner展宽器等效光栅对表达式、经过Offner展宽器后脉冲的脉宽表达式及展宽器各元件尺寸的解析表达式。确定了一般化的设计步骤,并给出了一个设计实例。矩阵光学获得的解析结果与光线追迹方法获得的数值结果一致。     

Offner成像光谱仪建模及像差分析

利用光线追迹方法得到系统的数值模型,然后运用级数展开方法,建立起系统的3阶解析模型,亦即3阶像差理论.该模型给出系统像差系数和计算系统点列图的解析表达式,可适应于包含变间距凸面光栅的系统,并具有良好的扩展性.通过追迹示例Offner系统中10000条不同波长、不同高度的光线,结果表明运用解析模型可以快速而准确地生成系统...     

极紫外光谱仪光学系统的优化设计

将平面对称光学系统的像差理论应用于极紫外(XUV)光栅仪器的评价函数,可以得到评价函数关于光学参量的解析表达式。应用合作型协同进化遗传算法来解决多参量评价函数的优化问题,建立了优化程序。应用该程序对XUV摄谱仪系统进行优化设计,并运用光线追迹程序Shadow对该光学系统进行数值成像计算和比较,研究结果表明发展的评价函数在XUV多元件光栅光学系统优化设计中是十分有效的。     

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。     

平面变栅距光栅的原理及设计

从光程函数出发,研究了平面变栅距光栅的聚焦及消像差原理,并据此设计了用于软Ｘ射线波段的变栅距光栅。用光线追迹程序对所设计的变栅距光栅进行我栅具有良好的聚焦性能。     

软X射线全息平焦场光栅的条纹弯曲现象及其对光谱分辨率的影响

软X射线平焦场光栅光谱仪是等离子体诊断的重要仪器,其核心光学元件全息平焦场光栅通常采用非球面波记录光路制作,因此光栅条纹存在弯曲的现象.光栅条纹的弯曲会影响光谱成像质量,从而影响系统的光谱分辨率.记录光路的优化,只保证光栅子午面的线密度分布,因此优化的记录光路并不是惟一的,所以在保证子午面的线密度分布的同时能制作具有不同弯曲程度条纹的光栅.针对应用于0.8—6 nm的全息平焦场光栅,利用光线追迹方法分析了不同弯曲程度条纹光栅的光谱成像,发现采用柱面反射镜制作的接近于直条纹的光栅具有较好的光谱成像质量.相对于弯曲条纹的光栅,接近于直条纹的光栅理论光谱分辨率有明显的提高,入射波长为3 nm时,光谱分辨率从626提升到953,入射波长为5 nm时,光谱分辨率从635提高到1222.     

I型全息凹面光栅制作误差对光谱像的影响分析

通过对I型全息凹面光栅制作参量误差对光谱像的影响进行数值计算发现|1)两记录臂长的相对误差而不是绝对误差决定光谱像的展宽程度,即使绝对误差较大,只要两记录臂长的误差值相同,像宽也没有明显改变|2)由于I型光栅的记录臂一般较长,记录角度误差对像宽的影响不大,但会影响光栅的刻线密度,导致光谱成像位置的偏移|3)曲率半径误差对像宽的影响较大.通过数值模拟明确了I型全息凹面光栅制作的误差容许范围,找到了对光谱像宽度影响较大的误差来源,从而为此类光栅的制作提供理论指导,有助于制作出高质量光栅,降低罗兰圆光谱仪的调节难度.     

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...     

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,...     

变线距光栅线密度的干涉测量

变线距光栅在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景，它的制作和检测方法尚未成熟。用干涉法测量变线距光栅的线密度，给出了测量原理、实验中的光路、数据处理的方法、测量结果。在待测光栅表面，衍射光干涉条纹的数量和密度是入射光干涉条纹和倍增后光栅的刻线之差。采用共光路的方案，使光路具有很强的抗干扰能力。用中值滤波消除干涉图像中的干扰。针对不同的干涉条纹，讨论和比较了两种测量方法，提出相对密度不变性。证明了干涉法完全可以用于变线距光栅的线密度测量，并能达到一定的精度，初步解决了检测问题，认为这种方法也可以用于变线密度光栅的加工中。     

全息光栅实时显影监测曲线的理论模拟

在特定的工艺条件下,光刻胶的非线性效应非常显著;合理地利用非线性效应,能够制作出近似矩形的全息光栅掩模。为了分析清楚非线性效应对光栅沟槽成形的作用机理,有必要建立一个显影理论模型。模拟得到的光栅轮廓和实验样片的扫描电子显微镜照片结果很吻合。根据这个模型,进而使用光栅严格理论,得到其主要特征与实时监测实验曲线一致的理论模拟监测曲线。理论分析和实验证实,该模型基本表征了工艺条件对光栅沟槽形状的影响,并揭示了光刻胶呈现显著非线性效应时,必然对应着明暗条纹中心位置之间的显影刻蚀速率相差很大。这个模型为全息光栅的工艺研究提供了一个有效的理论分析工具。     

Diffraction properties of ultrashort pulsed beams with arbitrary temporal profiles by a reflection volume holographic grating

The diffraction properties of reflection volume holographic gratings are studied when the gratings are illuminated by an ultrashort beam with arbitrary temporal profiles. The modified Kogelnik's theory of coupled waves is used. Simple analytical expressions for spectral and temporal distribution of the transmitted and diffracted are obtained. The dependences of the diffraction bandwidth, the Bragg selectivity bandwidth and the total diffraction efficiency of the reflection volume grating on the temporal profiles of the input ultrashort pulse are investigated. Study shows that the bandwidth of the reflection volume holographic gratings varies with the grating parameters more slowly than the transmitting volume holographic gratings. For three different temporal profiles, numerical results about diffraction properties of the reflection volume holographic gratings are given and compared with the transmitting volume holographic gratings.     

平场全息凹面光栅制作结构与使用结构之间误差补偿作用的数值模拟与实验验证

通过对优化计算出的平场全息凹面光栅制作结构(曝光记录结构)和使用结构(光谱仪分光结构)之间各个参数进行联合数值模拟,得出如下结论：在优化设计参数值附近一个较大范围的误差区域内,平场全息凹面光栅的制作结构参数误 差和使用结构参数误差可以相互补偿,最终补偿的结果可以使光谱成像质量达到与原设计结构相当的水平,满足光谱仪器的使用要求。文章给出了数值模拟结果以及与其相符的实验验证结果。此补偿作用有利于降低平场全息凹面光栅制作 中各个参数精度的调节难度,并且可以对实际使用过程中光谱仪器的设计和装调进行理论上的指导。