Offner成像光谱仪的消像差技术

介绍了基于同心结构的Offner成像光谱仪光学系统的工作原理、结构特点及优势,综述了Offner型成像光谱仪在国内外的研究进展。较详细地介绍了国内外目前常用的三种消像差方式,即通过改变光学元件装调结构实现消像差,基于单光栅像差理论的解析方法进行消像差以及通过设计凸面全息光栅来提高光谱图像的分辨率。文中总结了Offner成像光谱仪存在的关键问题及发展趋势,强调该系统需要解决的问题的是消除系统像差,提高系统光谱分辨率、空间分辨率和对弱信号的探测能力,其发展方向为更高的分辨率和探测能力以及系统的小型化和轻量化。基于对Offner成像光谱仪的研究,文中提出了一种从凸面全息光栅与光谱仪一体化设计的角度进行消像差的思路。     

网格光栅和电子显微镜倍率的测定

透射式电子显微镜(TEM)倍率的测量和标定是TEM的一项基本测试技术。传统的方法是用衍射光栅的刻槽间距作为基准尺寸进行测试。本文改进了以往用相衬显微术测定光栅样品间距的方法,而用普通的显微镜在掠射照明情况下测定了原刻光栅和TEM光栅复型的刻槽间距。发现了光栅常数的标称值和由干涉方法测定的刻槽间距平均值与复型样品的实测间距有较大的误差。测试结果表明,光栅刻槽间距的局部误差呈随机的高斯分布;不同方位的刻槽间距也有差异,而光栅复型样品制备时引入的变形是导致间距误差的主要因子。本文用高斯误差定律归纳了原刻光栅和光栅复型间距的大量实测数据,求得了光栅刻槽间距的最佳代表值及其或然误差,从而在一定置信水平上保证了TEM倍率测量的可靠性,其精度优于2%。不同间距的各种网格光栅(300,600,1200,2400Line/mm)已能提供实际测试。     

Offner双镜三反射成像光谱仪分辨率的研究

针对Offner双镜三反射成像光谱仪的消像差结构,采用几何方法推导出光谱分辨率的计算公式,分析了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像元尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并探讨了提高光谱分辨率的方法和技术,即在优化系统像差的同时,适当减小狭缝宽度和探测器像元尺寸,有利于提高系统的光谱分辨率。该系统利用消像差优化设计同时考虑光谱分辨率的设计方法,具有十分重要的实用价值,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。     

基于波像差理论的实数编码遗传算法优化XUV光学系统

由镜和光栅组成的XUV光学系统具有平面对称的性质,结合Lu平面对称光栅系统的波像差理论和均方根像差评价函数得到用以优化XUV光学系统的多参量目标函数。为求解该多自变量且大取值区间的目标函数,提出了一种基于十进制的实数编码遗传算法,并将其用于两种XUV光学系统的优化求值。将求得的优化值用光学仿真软件Shadow进行追迹,并和参考文献进行对比。结果显示本文优化后的光学系统在成像质量上有明显上升,表明波像差理论及本文的实数编码遗传算法可以有效地优化XUV光学系统,为此类系统的优化设计提供了新的思路。     

用两维扩展光源像差理论优化XUV单色仪设计

为了给反射镜和光栅组成的光学系统提供一种有效的优化方法,应用吕等提出的两维扩展光源平面对称光学系统的像差理论,Namioka等定义的XUV(极紫外)光栅仪器的评价函数和改进的遗传算法发展了优化设计程序,对一XUV单色仪光学系统进行优化。通过光线追迹程序Shadow进行数值成像计算来验证优化结果,并和相关参考文献中的结果进行比较。比较结果表明应用的评价函数适用于两维扩展光源的XUV单色仪光学系统优化设计。     

闪耀透射光栅衍射规律的分析和验证

基于标量理论研究了不同槽形角,不同刻线密度的透射式闪耀光栅对使用波段的影响,推导了闪耀透射光栅的衍射光能量分布规律。分析证明了透射闪耀光栅在衍射能量最强方向上衍射光的衍射角与入射光的入射角之间的关系满足Snell定律。给出了入射角、衍射角与槽形角之间的关系式,研究了不同刻线密度和槽形角条件下衍射光能量分布的规律。对闪耀透射光栅进行了测量和比较,结果表明:已有闪耀透射光栅测量的结果与理论计算数据相吻合。制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)可调谐闪耀透射光栅,应用研究的理论公式测量了该闪耀透射光栅在拉伸与自由状态下的闪耀波长和光栅刻线密度,结果显示其波长测量误差在5nm以内。拟合了光栅的等效槽形,验证了实时监测PDMS光栅槽形和刻线密度随拉力大小变化的规律。     

平面衍射光栅的检验

本文指出了平面衍射光栅在制造过程中由于光栅刻槽的不平行、光栅刻槽的间距误差以及刻槽形状的不一致等各种疵病使光栅在光谱学的应用中所造成的不利后果。同时着重介绍了光栅的衍射波阵面象差、光栅的实际分辨率、罗兰鬼线的相对强度以及光栅的衍射效率的测量方法和检验仪器。     

略论"透射"式光谱仪与纯反射式矫像差光谱仪的异同

对两种光栅成像光谱仪在通光效率、杂散光、准直及像差等的比较。对其不同的成像品质进行探讨。     

全息凹面光栅平场摄谱仪的光学设计及像差优化研究

本文利用全息凹面光栅像差理论,提出了全息凹面光栅平场摄谱仪的光学设计方法,推导了在平场像面获得评价像质的点列图分布的计算公式。以波像差系数的平方和为评价函数,对全息凹面光栅的光学参量进行了优化设计,并建立了相应的平场摄谱仪设计程序软件。     

鱼眼镜头光学系统的优化方法

在鱼眼镜头成像系统中,光线以很大的入射角打在前组透镜表面时往往会造成严重的像差,为了压缩超大视场角,提出应用非球面前组负弯月型透镜来控制鱼眼镜头系统的像差。基于光学前组具有平面对称的成像特性,应用平面对称光学系统像差理论发展的评价函数,对非球面系数及其他的系统结构参数进行优化设计。应用评价函数及Zemax光线追迹成像模拟对优化系统进行评估。研究表明,应用非球面组负弯月型透镜能够显著地提高鱼眼镜头的成像质量。     

自由电子激光器用极紫外波段平面变栅距光栅

针对极紫外波段自由电子激光器(大连相干光源,DCLS)对高分辨能力平面变栅距光栅的需求,基于光程差以及像差原理构建了极紫外平面变栅距全息光栅。采用改进的局部优化算法给出了平面变栅距光栅的记录参数,利用全息曝光技术在硅光栅基底上制作了中心刻线密度为600gr/mm、占宽比为0.46、槽深为550nm、有效刻划面积为30mm×30mm的极紫外平面变栅距全息光栅。采用Littrow衍射法测量了平面变栅距光栅的刻线密度,并基于像差理论分析了平面变栅距光栅的理论分辨能力。结果表明:制作的600gr/mm平面变栅距光栅在有效面积内的刻线密度误差小于0.175gr/mm,在极紫外波段(50~150nm)的分辨能力大于12 000,满足自由电子激光器的设计要求。提出的设计及制作方法为制作高质量平面变栅距光栅提供了理论及技术保障。     

单基片多次曝光实现光栅拼接的理论分析

为减少光栅拼接过程中需要控制的物理量,提出了一种利用单基片多次曝光实现光栅拼接的理论方案。这种拼接方法不但降低了光栅拼接难度,而且还避免了拼接完成后小光栅间的相对移动。对该方案的原理进行了分析,并模拟计算了两块光栅在面内的拼缝和转动对远场光斑特性的影响,获得了无像差情况下光栅拼接的精度。     

光栅成像光谱仪同心光学系统研究

详细讨论了光栅同心光谱仪的波像差表达式。当入射光束与出射光束平行时,单色同心光学系统空间任一点成几何理想像。揭示了光栅同心光谱仪满足远心条件时,光瞳像差仅有三级球差和场曲及高级剩余像差,系统需要校正场曲和球差。光栅必须放在前后光学部分的焦平面上,满足远心条件。最佳光栅刻线是等间隔平行线。介绍了两种典型同心光学系统的结构和特性。     

高衍射效率全息光栅的制作与复制工艺研究

本文根据正性光致抗蚀的感光显影特性,推导出了全息光栅沟槽深度公式,分析了影响光栅糟型结构的因素,建立了光栅沟槽模型。并根据论理论制作出了衍射效率高达６５％的 ２４００线／毫米的全息平面反射光栅。本文还介绍了全息光栅复制技术,解决了高质量光栅昂贵的生产成本和大批量生产问题。     

用于1 m Seya-Namioka单色仪的 1 200 lp/mm Laminar光栅

针对国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站中1 m Seya-Namioka 单色仪对光栅的需求,采用全息离子束刻蚀工艺制作了1 200 lp/mm Laminar光栅。首先,通过光刻胶灰化技术调节光刻胶光栅掩模占空比,在理论设计的误差允许范围内,对此光栅掩模进行扫描离子束刻蚀;然后,将光栅图形转移到光栅基底中去除残余光刻胶;最后,采用离子束溅射法镀制厚约40 nm的金反射膜,采用热蒸发法镀制厚约60 nm的铝反射膜。用原子力显微镜分析光栅微结构,结果显示光栅槽深为40 nm,占空比为0.45。同步辐射在线波长扫描测试结果表明,镀铝光栅效率明显高于镀金光栅,获得的实验结果与理论计算结果基本符合。镀金光栅已替代进口光栅在线使用3 年,其寿命大大超过复制光栅,基本满足了燃烧实验站的实验研究需求。     

Spectrophotometric method for measuring the groove depth of calibration reflection gratings

A method for measuring the groove depth of calibration gratings is proposed which is based on measuring the spectral dependence of the the zero-order reflection diffraction efficiency. The errors of the method are determined by three main factors: the shift of the maxima of the spectrum due to the wall slope of the grating grooves, the error in setting the wavelength of the spectrophotometer, and the divergence of the light beam in the setup. It is shown theoretically that the measurement error is in the range of 0.25–1%, depending on the fabrication technology of the grating and measuring equipment. The method was tested experimentally using commercial calibration gratings. The range of applicability of the method is discussed in terms of the geometrical parameters of the microstructure of reflection gratings and the characteristics of the spectrophotometer used.     

制作平面全息光栅的离轴抛物镜/洛埃镜干涉系统

设计和制作具有较高波前平面度和结构稳定的干涉曝光系统是研制高质量平面全息光栅的首要条件.对离轴抛物镜/洛埃镜系统、单透镜/洛埃镜系统、球面反射镜/洛埃镜系统和双分离透镜/洛埃镜系统等4种单反射镜干涉曝光系统产生的干涉条纹直线度进行了光线追迹.在干涉场中放置标准光栅,使用于曝光的两束平行光入射到光栅上,从而衍射光相干叠加...     

Geometric Theory for the Design of Multielement Optical Systems

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｒｅｎｄｉｎｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ(ＥＵＶ )ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｎｄｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｕｓｅｏｆａｎｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｔｈａｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｅｖｅｒａｌａｄｖａｎｃｅｄｏｐｔｉｃａｌｅｌｅ ｍｅｎｔｓ,ｓｕｃｈａｓａｃｃｕｒａｔｅｌｙｆｉｇｕｒｅｄａｓｐｈｅｒｉｃｍｉｒｒｏｒｓａｎｄｖａｒｉｅｄｌｉｎｅｓｐａｃｉｎｇｇｒａｔｉ…     

变栅距衍射光栅的原理及应用

变栅距衍射光栅(VLS)在像差校正等方面具有突出优点,采用不同的栅距变化规律的变栅距光栅具有不同的光谱特性,因而在众多的高技术领域获得了广泛应用.本文从VLS的像差校正原理出发,较全面地阐述了VLS在真空紫外和软X射线、高分辨率光电探测器、表面干涉计量以及光纤通讯等领域的应用,并针对其技术特点指出了它的发展趋势.