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.     

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...     

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...     

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。     

紫外高分辨率像散校正型罗兰全息光栅设计

为了降低紫外高分辨率罗兰光栅的像散对光谱像高展宽的影响,提出了在罗兰圆上使用球面波非对称曝光设计思路。推导完全校正离焦和子午彗差的表达式,讨论了多种罗兰光栅记录结构的局限性,优选适合校正紫外高分辨率罗兰光栅的优化方法。通过全息光栅像面展宽表达式, 指出像散和弧矢彗差是影响光谱像高的主要因素,并分配了两者的优化权重。利用这种优化思路,设计了工作波段110～200 nm紫外高分辨率罗兰光栅,同时对比分析了传统光栅的像差系数和像高变化规律、像面结构和光谱分辨率。结果表明,和传统罗兰光栅分辨率处于同一数量级的情况下,所设计光栅光谱像高由25 mm降低到1.5 mm,谱面能量集中度有显著的提高。     

Ⅳ型凹面全息光栅参数误差对光谱性能的影响及补偿

在Ⅳ型凹面全息光栅制作和使用过程中,各参数误差会影响其光谱性能.光栅均方根法优化函数表达式复杂且不能给出光谱的带宽.由费马原理推导出一种数值处理较为简单且能直接描述光谱带宽的光栅优化函数——平方和法优化函数,验证了该函数的正确性.采用该函数对Ⅳ型凹面全息光栅使用参数和记录参数在参考平面内外的误差对光谱性能的影响及补偿做...     

光栅光谱仪光谱响应误差校正

针对由器件光谱特性引起的光栅光谱仪测量误差问题,提出了一种误差校正方法,并对该技术中的理论模型、数值提取算法和精度、误差校正精度进行了研究。首先,在深入剖析光栅光谱仪工作原理的基础上,建立了光谱误差校正的理论模型;其次,在研究光栅、探测器、反射镜等核心器件光谱特性曲线典型特征的基础上,提出了器件光谱响应参数提取算法,并对该算法的精度进行了实验研究;最后利用本文所建立的理论模型和数值提取算法对光栅光谱仪测得的溴钨灯光谱进行了校正,并将校正后的结果与溴钨灯标准谱线进行了比较。实验结果表明,本文所提出的数值提取算法的平均误差为0.39%,校正后的光谱曲线与溴钨灯标准光谱曲线一致,说明本文所提出的校正技术能够有效消除器件光谱特性引入的误差。     

在线诊断光谱仪用光栅制作误差对光谱成像的影响及补偿

为制作应用于在线诊断光谱仪的高分辨率光栅,通过分析记录参数误差对光栅刻线密度、聚焦曲线、谱像宽度等的影响及规律,提出相应的补偿方法是必要前提。基于费马原理、光程差理论及像差理论,分析了光栅光谱性能对记录参数误差的影响及其敏感性。在光栅使用参数固定的情况下,记录角度误差对光谱性能影响较大,在光栅设计时可通过对记录角度加权的方法来提高记录角度的取值的精确度;记录臂长误差对光谱性能影响较小;记录臂长和记录角度的相对误差决定了其对光栅光谱性能影响程度。结果表明,单侧记录臂长和角度误差对光谱性能的影响,可分别通过调节两臂臂长及角度的相对误差进行补偿。由此可以确定对应用于在线监测光谱仪光栅成像质量影响较大的误差因素,并给出制作误差的相应补偿方法,降低曝光系统的调试难度,为制作在线诊断光谱仪用高分辨率光栅提供理论指导。     

利用保角变换实现环形光栅的Talbot效应

Talbot效应是一种近场自成像效应,通常只有周期光栅可以产生Talbot效应,而环形光栅无法产生.本文通过引入保角变换,发现可以在环形光栅外部设计适当的折射率渐变层介质,使得其中也能够产生严格的Talbot效应,并计算了对应的自成像半径表达式.本文利用FDTD软件分别将一个环形光栅放置在真空中以及人工设计的折射率渐变层中进行了模拟,并对二者的结果进行了比较分析,发现这种折射率渐变层介质确实对点光源入射的环形光栅的自成像情况有着很好的改善.希望这一工作能够推广Talbot效应的应用范围.     

对透射光栅光强极值位置的探讨

分析了透射光栅衍射光强分布的极值问题.结果表明,除了零级衍射主极大以外,光栅衍射光强的各级主极大的位置与光栅方程所确定的位置并不严格重合.结合一个实例,通过数值计算给出了二者的差异.     

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。     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

短波红外平场光谱仪的波长定标

针对自行研制的短波红外平场光谱仪,讨论了波长定标的原理和方法.短波红外平场光谱仪由两个分光探测单元组成,探测单元以平场凹面光栅分光,处于焦平面上的线阵列探测器探测,波长定标分为两个波段进行.为了实现准确的波长定标,针对短波红外平场光谱仪的特点设计了波长定标步骤.双单色仪可以输出光谱仪波长范围内任意波长单色光,选用双单色仪作为光谱定标光源,双单色仪的输出单色光光潜分辨力为1.5 nm,经过光谱仪的分光会聚后成像在线阵列探测器像元上,采用重心法计算出给定波长对应的像元精确位置,通过多项式拟合得出两个探测单元的波长定标系数.定标结果表明,在900～2400 nm波长范围内,定标曲线拟合误差小于0.5 nm,波长定标不确定度优丁0.6 nm.     

Seya-Namioka单色仪中光栅曲率半径误差的影响及补偿

Seya-Namioka光栅制作过程中的曲率半径误差会引起离焦像差,该像差会对光栅单色仪的光谱性能造成极大的影响。本文基于光线追迹理论,模拟分析了曲率半径误差对Seya-Namioka光栅的具体影响。分析结果表明,出入臂长度对曲率半径误差有很好的补偿作用,通过调整出入臂长度曲率半径误差的容许范围可增大到2 mm左右。总调整量不变的情况下,任意改变出入臂的长度,补偿效果相似。随着误差的增加需要调整的出入臂长度值变大,过大的误差使用出入臂长度无法进行补偿;出入臂夹角仅能对正向曲率半径误差进行补偿,且补偿所需调整角过大,影响单色仪的结构设计,该方法并不实用。结果可为单色仪的设计和使用提供理论参考。     

Design of aberration-corrected flat-field holographic concave grating by parameter optimization

Based on the aberration theory of concave grating [1], [2], [3], a method to design aberration-corrected flat-field holographic concave gratings by parameter optimization is introduced. And the influence of different parameters such as the incident angle, effective grating grooves and grating radii on the aberrations at diffracted order ?1 is discussed. The results indicate that for a concave grating working in a given spectral range, we can correct aberrations by optimizing the incident angle. In addition, flat-field holographic concave gratings with higher resolution and lower aberration can also be designed by choosing the effective grating grooves and larger grating radius properly.     

一种新型透射式自聚焦光栅的设计及理论研究

结合普通透射光栅的分光特性和菲涅耳波带片的聚焦特性,提出一种应用于软X射线波段的新型透射式自聚焦光栅。根据菲涅耳衍射理论,对其衍射特性进行理论推导,证明该新型光栅存在一个与光栅平面垂直的焦平面,不同波长的光波聚焦于该焦平面的不同位置。在焦平面上,焦点位置随光子能量的变化是线性的,即能实现光子能量的线性测量。通过解析推导,得到在沿着焦平面和垂直于焦平面两个方向上光斑的展宽模式,发现该新型光栅在沿着焦平面的光斑展宽模式不同于普通光栅。根据基尔霍夫衍射公式,设置实用化参数,对其衍射模式进行了详细的数值模拟研究,并讨论了相应的测谱范围和谱分辨率。     

现代高分辨拉曼光谱仪的配置及应用研究

拉曼光谱分辨率是关系到从光谱中提取出样品结构信息的关键参数,高分辨拉曼光谱能够提供更多、更精细的样品有关信息。在此全面分析了现代高分辨拉曼光谱仪中决定光谱分辨率的各参数,辨析了易于混淆的分辨率和色散度概念。用理论分析和实验结果说明光栅密度与光谱分辨率的关系以及采用高密度光栅增进光谱分辨率所受到的限制、如何利用长焦长光栅增进光谱分辨率而不损害仪器通光效率、入射狭缝宽度对光谱分辨率及灵敏度的影响,在此基础上如何求得一个合理的平衡选择;并且用不同配置的现代新型拉曼光谱仪实验研究了多层硅结构中的应力分布和单壁碳纳米管管径分布,实验结果清晰地佐证了以上分析,并充分说明了拉曼光谱测量中选择分辨率的重要性。     

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。     

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.