刻划光栅刻线弯曲误差在线修正技术研究

刻划光栅存在刻线弯曲误差，将直接影响光栅的衍射波前质量。通过构建光栅刻线弯曲误差与衍射波前的映射关系，搭建了光栅刻线弯曲误差的实时测量光路，论述了光栅刻划机主动控制技术原理，将光栅刻划机主动控制技术用于光栅刻线弯曲误差的在线补偿。通过对比光栅刻划实验验证该方法的可行性。上述方法能够准确提取并有效补偿光栅刻线弯曲误差，将光栅衍射波前由0.074 λ提高到0.038 λ，提高了48.6%，同时有效地解决了光栅表面弯曲问题。其研究结果可用于提高机械刻划光栅质量，具有重要的理论及应用价值。     

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。     

光栅刻划机直线度误差补偿的研究

中阶梯光栅是一种特殊的衍射光栅, 它以高的衍射级次和大的衍射角来工作, 具有高分辨率、全波闪耀等特性。已广泛应用于高端光谱仪器之中,极大地促进了航天航空、天文、医疗、军事、环境等尖端科技的发展。但是专业的刻划系统需要定制,价格昂贵。使用已成熟的超精密加工设备来加工中阶梯光栅,可以大大降低中阶梯光栅母版的制备成本。超精密单点金刚石车床制备中阶梯光栅时,系统直线度不好,存在较大的累积误差,导致中阶梯光栅衍射波前较差,达不到制备要求。为了减小超精密单点金刚石车床固有的直线度误差,对超精密单点金刚石车床进行了误差补偿。首先,以累积误差曲线为依据进行第一次补偿。实验结果表明,当补偿系数为0.75～0.85时,此时衍射波前的PV(峰谷值)值在约400 nm,一次直线度补偿效果到达极限。然后,以闪耀级的衍射波前曲线为依据进行第二次直线度补偿,二次补偿后的衍射波前PV值为约83 nm。补偿后的结果表明衍射波前得到大幅改善,有利于提高所制备光栅的质量,在光栅实际刻划中具有指导作用。     

基于光谱合束技术的透射光栅模拟设计

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出,已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计,运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定,同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能,衍射效率达到91.2%(TE模式),同时压缩其他衍射级次,使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率,实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率,易于调节,满足光谱合束技术的要求。     

曝光系统离焦对平面全息光栅衍射波前的影响

波前像差是衍射光栅的重要技术指标，它直接影响光栅的分辨率。由光致刻蚀剂记录两束相干光干涉条纹是制作全息光栅的关键步骤。为了提高全息光栅曝光系统调整精度、减小离焦、降低光栅的衍射波前像差，从离焦对反射球面准直镜的准直光平行度的影响程度出发，分析了准直光平行度对全息光栅衍射波前像差的影响。理论分析和数值模拟结果表明，准直镜调整误差直接决定全息光栅衍射波前像差大小。以3种不同刻线密度光栅为例，得出了准直镜调整误差的允许变化范围。     

相位光栅非对称性对位置测量精度的影响

在相位光栅位置测量系统中,加工、后处理等工艺会导致光栅结构发生非对称性变形,增加了位置测量误差.因此,建立了非对称性光栅的衍射场理论模型,分析了光栅非对称性对位置测量精度的影响,并根据不同衍射级次对非对称性敏感度的差异提出了一种多衍射级次权重优化方法,以修正光栅非对称性变形引入的测量误差.实验结果表明,当光栅中心槽深为入射波长的1/4时,顶部倾斜非对称性和底部倾斜非对称性对测量精度的影响可以忽略;当占空比为0.5时,侧壁非对称性对测量精度的影响可以忽略.非对称性引入的位置误差,经多衍射级次权重优化法修正后可控制在0.05 nm以内.     

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,...     

中阶梯光栅衍射效率及杂散光检测系统设计

中阶梯光栅具有刻线密度低、闪耀角度大、衍射级次高、光谱范围宽、色散率大、光谱分辨率高等一系列突出优点,近年来由于其优良的性能而倍受青睐。作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能,能够准确地进行中阶梯光栅衍射效率和杂散光系数的测量是光栅应用的前提。鉴于此,基于中阶梯光栅的衍射理论创造性地提出用一套系统对中阶梯光栅的衍射效率和杂散光系数进行检测,该系统引入双轨结构,具有结构简单新颖、一机多能等优点。通过理论分析和计算,确定了检测系统的结构参数,设计结果表明： 该检测系统可用于测量190～1 100 nm光谱范围内的中阶梯光栅绝对衍射效率,同时也可用于测量200～800 nm光谱范围内的中阶梯光栅杂散光系数,实现了将衍射效率测量和杂散光测量集于一体的设计思想。     

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。     

微米光栅加速度计的加工与性能研究

介绍了一种以微米衍射光栅为敏感元件的微机电加速度计敏感头的加工和性能。硅质量块底部加工有铝反射膜,透明玻璃基底上制作有金微米光栅,中间为空气腔,经硅玻璃阳极键合,构成敏感头的核心敏感部件。光源透过透明基底,照射在光栅上,在反射场内会产生一系列衍射级次,且各级次衍射光强与外界加速度之间呈函数关系。完成了微米光栅加速度计敏感头的加工,搭建了实验测试平台,完成了加速度计的灵敏度以及静电驱动性能测试。为未来新型集成式微米光栅加速度计设计和加工提供参考。     

用光栅的±1级能量之比测量光栅参量

提出了利用透射光谱结合优化算法来反演衍射光栅参量的新方法。利用衍射光栅两个对称级次(m=±1)的能量比来处理这种差异,实现光栅参量的成功反演。首先,在理想光栅(以正弦面型光栅为例)透射光谱曲线上叠加高斯噪声来模拟实验测量曲线,结合正单纯形法对该法进行模拟反演,所得结果非常接近真值。其次,对于体积相位全息光栅,利用实验测得的透射光谱±1级能量比,反演得到的各参量的相对误差不超过2%,这进一步证明了该方法的可行性和有效性。同时该方法具有无损伤、操作简便、可重复、易推广、成本低等优点。     

高密度光盘存储中的梯形光栅设计和误差分析

为了符合实际加工情形，推导了梯形相位光栅衍射效率，与矩形光栅作了比较，设计其用作高密度光盘存储光学头分光束器件时的各参数，并分析推导了系统和随机加工误差对光栅性能的影响及设计原则。     

基于傅里叶光学原理的新型凹面光栅衍射效率测量方法

凹面衍射光栅兼具色散分光与光束聚焦功能,同时具有像差校正、低杂散光、无鬼线和高信噪比等优势而受到光谱仪器领域的广泛关注。衍射效率作为凹面光栅最重要的技术指标之一,其测量技术水平逐渐成为光谱仪器行业最为关注的课题之一。传统方法一般采用双单色仪结构实现凹面光栅衍射效率的测量,该方法主要存在两方面问题,一是测量标准反射镜和待测光栅的出射光谱带宽不同,二是光栅叠级、杂散光的影响;上述问题的存在降低了高性能凹面光栅衍射效率测量的准确性。本文提出了一种基于傅里叶光学原理测量凹面光栅衍射效率的新方法;针对该方法建立了凹面光栅衍射效率测量的数学模型,并采用光学追迹和傅里叶光学方法相结合对其进行了仿真分析,从而验证了该方法的正确性;针对动镜横移误差、倾斜误差、光源稳定性、动镜运动距离误差等因素影响凹面光栅衍射效率测量精度的问题,提出引入辅助探测器的方法来进一步提高衍射效率测量精度,并对有无辅助探测器情况下的上述误差对衍射效率的影响进行了数学推导和仿真分析,分析结果表明引入辅助探测器可以有效抑制了上述误差对凹面光栅衍射效率测量的影响。对比传统双单色仪测量方法而言,该方法不仅能够解决传统测量方法存在的问题,同时还具有多波长同时测量、高光通量、高分辨率、高波数精度等优势,可以有效提高凹面光栅衍射效率的测量精度和测量效率。     

基于波前法的光栅拼接误差检测及计算方法

光栅拼接法是目前制作大尺寸平面衍射光栅的重要方法之一,而拼接误差是评价拼接光栅是否能够使用的重要指标之一。实时定量测量拼接误差,能够实现对拼接误差的自动闭环调整,通过实时指导拼接提高光栅拼接的精度。建立了衍射波前与光栅拼接误差关系的数学模型,分析了干涉仪测量光栅拼接误差的原理,用ZYGO干涉仪实现拼接光栅0级及-1级衍射波前的数字化定量提取,分析并计算了拼接误差波前,得到五维拼接误差的数值解。利用拼接光栅-2级的衍射波前验证五维拼接误差结果的准确性,实验结果表明由0级、-1级、-2级拼接波前计算的拼接误差具有较好的一致性,为利用波前检测光栅拼接误差并实现自动化闭环调整提供了理论指导。     

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...     

拼接光栅对压缩系统中的误差补偿

 根据失调拼接光栅对压缩系统模型，推导了拼接误差引起的角色散公式。针对光栅拼接中的转角误差和光栅常数误差，得到了误差间的相互补偿关系式，并对补偿方式进行了讨论。研究结果表明：绕光栅平面内垂直于刻线方向的转角在一定范围内可以补偿绕光栅厚度方向旋转造成的误差；绕光栅刻线方向的转角可以补偿光栅常数不同造成的误差；绕光栅平面内垂直于刻线方向或绕光栅厚度方向的转角在一定范围内也可以补偿由光栅常数不同造成的误差。前两种补偿方式的补偿效果较好。     

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.     

90°顶角中阶梯光栅的研制

结合单晶硅各向异性腐蚀和倾斜光刻技术,在14°斜切(110)单晶硅片上成功制作出90°顶角的中阶梯光栅。在1500~1600nm波段对其进行了闪耀级次衍射效率测量,测量结果的趋势与C方法计算结果基本吻合,其中在1500~1550nm波段光栅表现出良好的闪耀特性,效率为理论值的52%~75%,峰值约为58%。讨论并计算了制作工艺中的槽深误差对光栅闪耀级次衍射效率的影响。结果表明,在1500~1550nm波段,考虑槽深误差计算所得的理论闪耀级次衍射效率约为完美槽形计算效率的77%~85%。     

分频光栅的衍射特性及误差分析

 基于标量衍射理论推导出了分频光栅的各级衍射效率公式，分析了分频光栅的衍射特性，发现入射光波在满足相应的相位延迟条件时，能被分频光栅以最大效率衍射进３个中央级次中的某一级。分析和比较了两种制作工艺中的刻蚀深度误差、占空比误差对衍射效率的影响。在惯性约束聚变（ICF）应用中，对于同一要求的３倍频光的衍射效率范围，两种工艺的刻蚀误差容限是相同的，但是两种工艺的相同刻蚀误差却带来不同的衍射效率。在不计其它误差时，占空比误差不会对３倍频光的衍射效率产生影响，但可以对基频光和2倍频光产生相反的影响，占空比误差还可以使基频光和2倍频光的主要衍射级次的效率都降低，同时增大它们的0级衍射效率。     

光栅周期包含的Bragg层数对Bragg型凹面衍射光栅的影响

单个衍射光栅周期所包含的Bragg周期层数是连续Bragg齿型凹面衍射光栅的主要参数之一,该参数可改变光栅齿结构,对凹面衍射光栅的分辨力.自由光谱范围及衍射效率有重要影响.本文通过理论分析与仿真模拟,对比了4种不同层数的Bragg型凹面衍射光栅的特性参数.研究结果表明:在衍射光栅尺寸不变的情况下,改变单个光栅周期包含的Bragg周期层数不会显著提高器件主衍射级次的分辨力;单个光栅周期包含的Bragg周期层数与光栅可衍射的级次数成正相关.单周期层数的Bragg凹面衍射光栅的主衍射级次效率最高,其可衍射的级次数最少,且其他衍射级次分散的能量最少;增加单个光栅周期所包含的Bragg周期层数会降低主衍射级次的自由光谱范围.该研究对于设计低插损、高分辨率、宽工作波段的波分复用器或光栅光谱仪具有重要的指导意义.