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。     

凹面光栅型波长解复用器的标量波动分析

利用标量波动衍射理论，通过对光栅槽面的数值积分，计算了罗兰圆型集成二维凹面光栅像点的光强分布。给出了光线追变法难以得到的光栅槽面沿光栅圆不同方位刻划所引起的成像点对于光栅方程计算位置的偏离；在对色散和分辩力的分析上，获得了与光线追迹法很好的一致性；分析了光栅的槽面波、光源的模场宽度以及因工艺产生的槽面圆角对光栅成像的影响；最后给出了光栅的波像差和光线像差的计算。     

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.     

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.     

宽光谱平像场全息凹面光栅的优化研究

基于凹面光栅的几何理论,推导了子午、弧矢聚焦曲线的数学表达式和全息平像场凹面光栅制作参数的计算关系式.提出了一种新的在整个使用波长范围内同时消除子午和弧矢像差的最佳优化设计方法.这种方法不同于以光线追迹技术为基础的标准光学设计软件如CODEV或ZEMAX的优化设计方法,而是从数学表达式出发,采用光栅优化因子,对凹面光栅的子午聚焦曲线和弧矢聚焦曲线进行拟合,从理论上找到最佳的能够使子午和弧矢像差同时趋于零的像平面,然后再根据拟合参数设计制作光栅.用Matlab软件解决了子午聚焦曲线超越方程无法解的困难;讨论了不同光栅常数和入射角度时对两聚焦曲线拟合程度的影响.提出了在宽光谱使用条件下,可以通过减小入射角度和光栅刻线数来提高光谱像质.     

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。     

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     

基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法

根据光学自由曲面数学描述复杂,但面形较为平滑的特点,提出一种新的基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法。通过离散点分割形成子曲面阵列,根据三角形内角和定理确定目标子曲面,对目标子曲面进行切平面迭代完成光线追迹。通过数值仿真,采用所提方法分别对偶次非球面、双圆锥曲面、扩展多项式面和单透镜无像散系统进行光线追迹,并与ZEMAX追迹结果进行比对。结果表明:该方法在离散点采样密度很低的情况下（降低了计算机的内存消耗和运算时间）仍然可以保证光线追迹的精确性,与ZEMAX中光线和自由曲面交点的偏差达到10-3（nm）量级,出射光线角度的偏差达到10-3（）量级。     

三类构型激光脉冲压缩器光栅拼接误差容限比较

建立了包含拼接光栅的三类典型构型(双程Z型、X型及菱型)激光脉冲压缩器的理论模型. 利用光线追迹法计算压缩器引入的相位变化,结合傅里叶变换的方法仿真分析并比较了各压缩器相应的光栅拼接误差容限. 以远场焦斑峰值能量下降到理想值的0.9倍为限确定了三类压缩器光栅拼接误差容限,明确了不同构型激光脉冲压缩器对拼接误差的敏感程度. 这对脉冲压缩器的选型和设计具有指导意义. 关键词： 光栅拼接 脉冲压缩 误差容限 光线追迹     

光学频率梳空间光谱分辨精度研究

光学频率梳的高精度光谱整形在微波光子学、光谱学及通信光学等学科领域具有广泛应用. 为了描述和评价光学频率梳光谱整形系统的光谱分辨精度, 使用光线追迹的方法对单光栅、平行光栅对、单光栅透镜变换和反平行光栅 对透镜变换四种结构的空间色散能力进行了理论建模和分析, 得到了输出面上不同波长的光斑间距和光斑大小, 设立判据得到系统的光谱空间分离能力. 计算结果表明, 使用后面两种色散结构更容易实现高精度光谱分离和整形; 波长较长、纵模间距较大、光斑尺寸较大的光学频率梳更适合作为光谱整形系统的光源; 光栅刻线密度高、入射角小、多次通过色散系统有利于得到更高的光谱分辨精度. 本文的分析和计算过程具有普遍适用性, 对基于光学频率梳的高精度光谱整形系统的实验和评价具有指导意义.     

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。     

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。     

啁啾脉冲放大系统展宽压缩器各阶色散分析

 通过在光程差中增加相位校正项,重新推导了更为完善的压缩器各阶色散解析式。并对压缩器的各阶色散作了光线追迹的模拟计算,得到与解析式完全一致的计算结果,从而验证了解析式的正确性。基于解析式和光线追迹的方法,更加系统完善地对比较常用的Offner展宽器的各阶色散进行了研究,分析了入射角、光栅与凹面镜距离对其各阶色散及剩余各阶色散的影响。同时,还对非匹配的展宽压缩系统的剩余色散的影响因素进行了讨论。     

Use of spherical gratings in a toroidal grating mount for vuv-soft x-ray synchrotron radiation

A toroidal grating monochromator (TGM) based beamline was designed earlier and it is being setup on the 450 MeV Indus-1 synchrotron radiation source. This beamline operates in 40–1000 Å wavelength range and gives a moderate resolution (～500) at high throughput. Now-a-days, spherical gratings are giving very high resolution in some complex monochromators. We have evaluated the use of spherical gratings in the simple rotation mount of a TGM. The motivation has been to evaluate if the existing TGM beamline, without any hardware changes, can be used with the much cheaper spherical gratings. The two monochromators, employing toroidal and spherical gratings respectively, have been compared by performing detailed ray tracing calculations. Our study shows that, with the same mechanical hardware, a real spherical grating monochromator gives better performance compared to the conventional TGM with respect to the spectral resolution and the flux. Furthermore, for moderate resolution this improvement is realized even when the exit slit is not moved to keep the spherical grating in-focus.     

Split-aperture laser pulse compressor design tolerant to alignment and line-density differences

We introduce a four-pass laser pulse compressor design based on two grating apertures with two gratings per aperture that is tolerant to some alignment errors and, importantly, to grating-to-grating period variations. Each half-beam samples each grating in a diamond-shaped compressor that is symmetric about a central bisecting plane. For any given grating, the two half-beams impinge on opposite sides of its surface normal. It is shown that the two split beams have no pointing difference from paired gratings with different periods. Furthermore, no phase shift between half-beams is incurred as long as the planes containing a grating line and the surface normal for each grating of the pair are parallel. For grating pairs satisfying this condition, gratings surfaces need not be on the same plane, as changes in the gap between the two can compensate to bring the beams back in phase.     

全息离子束刻蚀衍射光栅

全息离子束刻蚀衍射光栅集中了机械刻划光栅的高效率和全息光栅的无鬼线、低杂散光、高信噪比的优点．全息离子束刻蚀已作为常规工艺手段应用于真空紫外及软x射线衍射光栅的制作．文章对全息离子束刻蚀衍射光栅的制作方法、主要类型、研究现状和应用进行了综述．