基于凹面光栅的可调高分辨率单色仪结构设计及波长重复性分析

凹面光栅兼具成像和色散的能力,采用凹面光栅分光的单色仪能够很好实现小型化设计和应用到低于200 nm的真空紫外波段。光谱分辨率和波长重复性是单色仪的重要指标,针对单色仪的光谱分辨率,本文将光栅固有分辨率和由狭缝引起的增宽相结合推导出单色仪的光谱分辨率计算模型,利用自研微动狭缝进行实验验证,单色仪分辨率符合理论模型,极限分辨率优于0.1 nm;针对单色仪的波长重复性,在单色仪光机结构参数转换的基础上对波长重复性影响因素进行分析,推导出单色仪的波长重复性计算模型,利用汞灯作为光源进行波长重复性验证其波长重复性优于0.02 nm符合理论计算模型,验证了光机结构设计的有效性和理论分析的正确性。     

凹面光栅成像的谱线线形以及杂散光的计算

提出了一种计算凹面光栅成像的谱线强度分布和计算凹面光栅三种随机误差造成的杂散光强度分布的方法。这种方法在采用光线追迹方法的同时,也考虑到了凹面光栅的衍射效率及光栅误差造成的衍射及散射作用。并以—Seya-Namioka型光谱仪为例说明结果。     

机械刻划长焦距凹面金属光栅的研制

对大曲率半径(即长焦距)金属基底凹面光栅的机械刻划技术做了研究。为了刻制长焦距凹面光栅,设计和研制了弹性顶针式光栅刻划刀刀架,它具有适用于刻划平面光栅和长焦距凹面光栅的双重功能。给出了描述光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径与凹面光栅曲率半径、光栅口径、金刚石刀头横向尺寸之间关系的数学表达式,理论分析了光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径的取值范围,研制了10.6 μm激光系统用曲率半径为30 m的凹面金属光栅。检验结果表明,光栅的槽形质量较好,光栅的衍射效率可达96.8%以上。     

Ⅳ型消象差全息凹面光栅的设计与实验

本文根据Namioka 全息凹面光栅的象差理论,叙述了装架于Seya-Namioka 成象系统的Ⅳ型消象差全息凹面光栅的设计,求得了这种光栅的装架参数和拍摄它的记录参数,并给出了实验结果。     

Eagle型双层结构全息凹面光栅双单色仪的设计

本文给出一种凹光面栅双单色仪的双层结构形式。足够好地保证了两个单色系统的光谱同步扫描。采用全息凹光面栅减少杂散光,并按照凹面光栅的Eagle 装架参数确定拍摄全息凹面光栅的光路,以消除由于凹球形基片产生的某些固有象差,改善凹面光栅的象质。给出SDHR-1000全息凹面光栅双单色仪的某些实验结果。     

平场全息凹面光栅的设计

平场全息凹面光栅是一种光谱面为平面的凹面全息光栅。在像面上,如果用某种平面多通道光电接收器探测光谱信号,可使光谱分析简单、迅速、并可做瞬间光谱分析。因为准直、色散和聚焦都集一体于凹面光栅,因而不仅光能损失大为减小,而且整个光谱仪也变得小巧轻便。本文将全息凹面光栅的理论用于消像差平场全息凹面光栅的设计中。描述了在任意给定的仪器参数下,确定光栅表面的曲率半径和记录参数的方法。并通过光线追迹,用谱线在点列阵图上的扩散度,即相应的相对强度分布轮廓曲线来评价所设计的光栅,结果是令人满意的     

基于解析分区法设计闪耀全息凹面光栅

研究了制备闪耀凹面光栅的离子束刻蚀工艺,提出了用“解析分区法”设计闪耀凹面光栅的衍射效率.该方法能通过确定离子束入射角,在实验前定量给出平行离子束刻蚀后光栅衍射效率的设计结果.经过理论设计计算出所需波长衍射效率较高的凹面闪耀光栅中心闪耀角,利用刻蚀模拟软件BLAZING计算出离子束刻蚀参数及光刻胶掩模参数;以计算结果为依据,利用全息-离子束刻蚀工艺制作出尺寸为45 mm×40 mm2,曲率半径为224 mm的凹面闪耀光栅,其中心闪耀角约为9.21°,峰值衍射效率为54.8％@300 nm,250 nm处衍射效率为50％,与“解析分区法”计算结果符合较好.实验结果表明,利用“解析分区法”进行凹面闪耀光栅衍射效率设计的方法简单易行,能够有效指导平行离子束刻蚀闪耀凹面光栅工艺,完成高衍射效率凹面闪耀光栅的制作.     

纳米级位移分辨率双光栅系统的多普勒分析

使用多普勒理论分析了一种典型的具有纳米级位移分辨率的双光栅测量系统.在以往的文献中,只是简单的列出光栅系统的位移测量公式,对系统的工作原理分析避而不谈.文中首先给出了系统的光路结构,分析了光栅的衍射序列,然后对光束入射和出射光栅的多普勒效应进行了数学建模,得到了最终的位移测量值与光学莫尔条纹之间的关系.最后分析了参考光栅的作用,并给出了这种系统的特点.     

近红外全息凹面光栅衍射效率的实验测定

本文介绍了一种测量近红外全息凹面光栅衍射效率的简单装置与方法,提出了实验中的几点考虑,给出了相应的实验结果,并观测至λ_R/λ_(max)≈0.9处,近红外全息凹面光栅强烈的效率反常现象。     

凹面光栅衍射效率测试仪精度分析和优化

分析和优化了凹面光栅衍射效率自动测试仪的测量精度,以提高凹面光栅相对衍射效率测量结果的准确性.根据凹面光栅相对衍射效率测量原理,对凹面光栅出射光谱增宽、衍射光束截面变化、光源辐射亮度的控制和测量波长同步精度等影响测量准确性的因素进行分析,给出了必要的运算关系式.采用回归分析等数学方法,基于大量实验数据建立了测量结果的优化公式,并将该公式编入测量程序,实现了在测量结束的同时自动优化测量结果.实验表明,经过优化后的测量值更加准确,与相对衍射效率理论值的偏差均在士2.5％以内,有效提高了仪器的测量精度.该方法操作简单,无需添加或改动仪器的任何部件,可满足仪器实时性强、测量准确的要求.     

Superresolution confocal technology for displacement measurements based on total internal reflection

In order to achieve a higher axial resolution for displacement measurement, a novel method is proposed based on total internal reflection filter and confocal microscope principle. A theoretical analysis of the basic measurement principles is presented. The analysis reveals that the proposed confocal detection scheme is effective in enhancing the resolution of nonlinearity of the reflectance curve greatly. In addition, a simple prototype system has been developed based on the theoretical analysis and a series of experiments have been performed under laboratory conditions to verify the system feasibility, accuracy, and stability. The experimental results demonstrate that the axial resolution in displacement measurements is better than 1 nm in a range of 200 nm which is threefold better than that can be achieved using the plane reflector.     

Alignment measurement of two-dimensional zero-reference marks

Alignment with submicron or even nanometer scale resolution is of vital importance in precision engineering. By superimposing a pair of specially coded two-dimensional gratings, the correct alignment position of the two gratings can be obtained by detecting the maximum output of the sharp intensity peak. In this paper, design and fabrication of such two-dimensional zero-reference gratings are introduced. The arrangement of the experiment system is presented in detail. The alignment measurement of the reference marks is tested, and the results are compared with those obtained by autocorrelation method and diffraction analysis. It is found that experimental results are in good agreement with theoretical analysis.     

平板波导凹面衍射光栅设计方法研究

提出了一种平板波导凹面衍射光栅的设计方法,即改进的刻槽位置递推计算方法。该方法是对原有刻槽位置递推计算方法的改进,利用该改进方法可实现平板波导凹面衍射光栅的精确设计,特别是一些特殊光栅结构的设计。光栅的刻槽位置可通过一组约束方程表示,利用递推方法可求得约束方程的数值解。为提高计算精度,在方程组的数值求解过程中引入牛顿迭代算法。设计了两种特殊的光栅结构,即平接收场结构和平顶频谱响应结构,模拟结果证明了采用该方法进行设计的必要性和有效性。     

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。     

集成双光栅干涉微梁位移测量方法

介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法,并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片,在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽,凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上,梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明,虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2,但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测,通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用,避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置,实验测得微梁的位移变化为650nm。     

高光谱短波红外地物光谱仪的光机设计

基于平场凹面光栅分光和线列阵探测器探测的最新设计方案,进行了短波红外波段地物光谱仪的光机设计。仪器采用光纤导光,两个独立单元分别探测,最大限度地简化了光学及结构设计。更换前置光学系统改变探测视场, 视场内的辐射经过前置光学系统均匀地照亮入射光纤,保证了两探测单元的视场相同。根据入射光通量、光谱分辨率和狭缝的关系确定入射狭缝的大小,仪器光谱覆盖900~2 400 nm,光谱分辨率优于12 nm,适合野外短波红外波段的探测。     

面向可见光波段的非周期悬空GaN薄膜光栅

基于严格耦合波理论,提出了一种在可见光波段能调控入射光相位的非周期悬空氮化镓(GaN)薄膜光栅。首先,采用有限差分时域(FDTD)方法,通过改变光栅的周期、占空比等参数仿真计算非周期悬空GaN薄膜光栅的光响应。然后,采用双面加工工艺和氮化物背后减薄技术在硅基GaN晶圆上制备非周期悬空GaN薄膜光栅,控制入射光束的相移。最后,通过角分辨微反射谱实验和光致发光测量实验表征了该薄膜光栅的光学性能。角分辨微反射谱实验结果显示非周期悬空GaN薄膜光栅的光学性能与FDTD的理论分析一致;光致发光测量实验显示其光致发光(PL)强度比硅衬底GaN光栅大大增强,峰值从364.3nm转移到378.7nm。另外,在可见光波段内,该悬空非周期GaN光栅有较大的入射角容忍度,为-25°~25°。得到的结果表明,研制的悬空非周期GaN光栅有助于提高光提取效率。