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。     

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...     

宽场平谱面全息凹面光栅光谱仪的设计

全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式,在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能;在垂直于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性;在平行于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变,实现了谱线平直成像;此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想,利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20nm/mm、空间分辨率小于25μm等技术指标不变的前提下,设计了狭缝长度为0.4mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明,改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。     

摆动刻蚀法制作高衍射效率凸面闪耀光栅

通过摆动离子束刻蚀方法,制作了用于短波红外高光谱成像光谱仪的凸面闪耀光栅。该方法通过在光栅子午方向上进行摆动刻蚀,解决了凸面光栅子午方向的闪耀角一致性问题。建立了摆动刻蚀模型来分析摆动速度、束缝宽度等工艺参数对槽型演化的影响,并计算了优化的刻蚀工艺参数。制备了基底尺寸为67 mm,曲率半径为156.88 mm,刻线密度为45.5 gr/mm,闪耀角为2.2°的凸面闪耀光栅,并对其表面形貌及衍射效率进行了测量。实验结果表明,摆动刻蚀法能够制作出闪耀角一致性好、衍射效率高的小闪耀角凸面光栅,满足成像光谱仪对光谱分辨率和便携性的使用要求。     

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。     

基于MOEMS扫描微镜的近红外光谱仪分光系统结构

针对近红外光谱仪由于红外CCD导致的红外光谱仪高成本问题,提出用MOEMS微镜阵列进行光路结构改进,并且解决了红外光谱仪成像像斑不规则从而难以采用MOEMS微镜阵列进行光谱扫描的问题,设计了一种新的分光成像结构.该结构基于全息凹面光栅理论来规则光谱成像的像斑,采用光学设计软件ZEMAX和针对特定像差评判标准的优化算法,...     

成像光谱仪同心光学系统的研究

介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyson凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统。Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式,使用光谱范围很宽,加工、装调较为简单,受外界环境影响较小;Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显,易于实现整体结构的小型化。给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例,两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果,其结构畸变均＜0005%,在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm,具有高质量的光学传递函数。最后,给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式,并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法。     

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。     

基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究

根据凹面光栅的几何像差理论,提出了一种基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计方法,该方法利用遗传算法和光学设计软件ZEMAX两次优化来获得最优的光学结构参数。以设计一个远紫外成像光谱仪为实例,工作波段110～180nm,狭缝尺寸50μm×5mm,数值孔径0.1,利用ZEMAX软件对设计结果进行了分析和评价,结果表明,不同波长的光学传递函数在奈奎斯特频率101P/mm处均大于0.7,点列图半径的均方根值小于14μm,在工作波段内获得了良好的成像质量,满足空间分辨率0.5mrad,光谱分辨率0.6nm的设计要求,也证明了该优化设计方法是可行的,可在其他波段推广应用,对光栅色散型成像光谱仪的设计具有指导意义。     

凹面光栅衍射效率的研究进展

凹面光栅因同时具有聚焦和色散功能而广泛应用于各类紫外、可见和红外波段的光谱分析仪器中,尤其是平场凹面光栅可以结合线阵或面阵探测器来实现即时分析。凹面光栅衍射效率的高低直接影响光谱仪器的信噪比和信号采集,其相关研究也逐渐为人们所关注。介绍了凹面光栅衍射效率的研究进展,比较了由机械刻划法和全息法制作的凹面光栅在掠入射下衍射效率的差别,分析了现有计算衍射效率方法的优缺点,并且对凹面光栅衍射效率的研究趋势做了简要预测,提出了需要同时在凹面光栅的主截面和非主截面内考虑光束对其衍射效率的影响。     

变波长读出条件下光折变局域体全息光栅的衍射性质

利用二维耦合波理论,研究了用短波长记录全息光栅而用通讯波段内的长波长读出时,用于90°结构垂直读出平板型的光折变局域体全息光栅的衍射性质.讨论了局域体全息光栅的几何尺寸对其衍射效率及光栅布喇格选择性的影响.结果表明,随着光栅的纵向和横向尺寸的增加,光栅的衍射效率也逐渐增加.当光栅的纵向和横向尺寸发生改变但光栅的总面积不变时,光栅衍射效率保持不变.此外,随着光栅尺寸的增加光栅的布喇格选择性越好.在利用短波长记录全息光栅而用长波长读出的光学器件设计过程中,为了获得最佳的衍射效率及其布喇格选择特性,应当根据要求合理地设计光栅的几何尺寸.     

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...     

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%.     

透射光栅谱仪测谱不确定度分析

透射光栅谱仪广泛应用于惯性约束聚变和其他激光等离子体相互作用领域. 而辐射光谱的精确测量依赖于测量设备的不确定度. 本文从标定过程出发, 分析了标定实验对透射光栅各级衍射效率带来的不确定度. 结合标定实验带来的不确定度, 分析了实验结果解谱过程带来的不确定度. 给出了0.1-5keV能段测量光谱的不确定度. 关键词： 不确定度 透射光栅 实验标定     

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。     

用飞秒激光在透明介质体内形成衍射光栅

用数值孔径为0.65的40倍显微透镜紧聚焦能量稍高于能量损伤阈值的200 fs的钛宝石激光脉冲,分别在ZK6玻璃和K9玻璃内部导致局部折射率改变,在透明介质内部形成透射式相位衍射光栅．在635 nm的He-Ne激光照射下,通过对光栅衍射效率的数值拟合计算,得出了的光栅条纹宽度与实际测量基本吻合,这从侧面证明了折射率改变区域为超高斯型的假定．还对折射率改变区域的性质进行了分析．在实验上观察到脉冲间的相互影响将导致折射率改变区域范围的增大．从理论上给出了增加1级衍射效率的途径．     

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计

为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜（PGP）结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置。系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统。光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差。根据实际指标探测器像元尺寸为20 m20 m,像元数为512512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm10.2 mm,波段在400 nm~800 nm,物方数值孔径为0.15。分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论。分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3 nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm。     

Characterization of Index and Surface-Relief Gratings Formed in Methacrylate Photopolymers

We report on an experimental investigation of the dual (index and surface-relief) grating formation in methacrylate photopolymers in the green. It is found that the dynamics of the diffracted signal from high spatial frequency dual gratings recorded in a thin film sample is mainly determined by the evolution of the volume index grating and is strongly dependent on writing intensities. Low spatial frequency dual gratings recorded in a bulk sample are also investigated. Depth profile and magnitude of the index grating are estimated quantitatively from the diffraction efficiency as a function of polish depth from the bulk sample’s surface. It is confirmed that the surface-relief grating is dominant in the light diffraction from the bulk sample.     

光轴方向任意时光折变晶体中体全息光栅的衍射性质

利用坐标旋转方法和Kogelnik耦合波理论,建立了光轴方向任意时单轴晶体中体光栅布拉格衍射的耦合波方程,分析了Li NbO3晶体的光轴方向对光折变体全息光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射性质的影响。模拟计算表明,在给定光栅的结构参量时,通过适当选择光轴方向角可以使得光折变体光栅的各向同性和各向异性布拉格衍射的衍射效率达到最大,给出了相应类型的衍射效率取得最大值时晶体光轴的大致方向。这些理论分析为光折变体全息光学器件的优化设计和进一步广泛应用提供了很好的理论参考依据。     

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。