凹面變線距光柵的二維線密度分布測(cè)試及軟X射線平場(chǎng)光譜儀的研制.pdf

1、光柵作為重要的分光元件，在光譜技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年，隨著激光、全息等技術(shù)的發(fā)展，使得光柵制作工藝水平得到很大的進(jìn)步，一些高級(jí)光柵被制作出來，并得到廣泛使用。凹面變線距光柵是像差矯正光柵中的一種，其不僅具有凹面光柵分光、聚焦的特性，同時(shí)又能通過改變光柵表面不同位置的刻線密度使得不同波長的光成像在一個(gè)平面附近，有利于采用CCD等平面探測(cè)器接收光譜，實(shí)現(xiàn)快速全波段光譜分析。隨著陣列探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，凹面變線距光柵的應(yīng)用領(lǐng)

2、域迅速拓展并逐漸顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
　　 本文研究了凹面變線距光柵的以下三部分內(nèi)容:凹面光柵二維刻線密度分布測(cè)試系統(tǒng)、平場(chǎng)凹面變線距光柵光學(xué)系統(tǒng)的高精度波長標(biāo)定方法以及凹面變線距光柵在平場(chǎng)光譜儀器中的應(yīng)用。
　　 首先，光柵的刻線密度參數(shù)是影響光柵分光和成像性能的最重要物理參數(shù)，發(fā)展光柵刻線密度的高精度測(cè)試技術(shù)具有重要的意義。一方面，光柵作為產(chǎn)品或商品，用戶需要檢驗(yàn)其指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求;另一方面，通過對(duì)光柵的檢測(cè)，可

3、以發(fā)現(xiàn)光柵制作工藝過程中存在的問題，有助于提高光柵的加工制作工藝水平;第三，對(duì)于一塊現(xiàn)成的光柵，獲得精確的光柵刻線密度參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)光柵光學(xué)系統(tǒng)、分析光學(xué)系統(tǒng)像差以及根據(jù)現(xiàn)有光柵參數(shù)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化等多方面具有重要的作用。此外，光柵的刻線密度精度還會(huì)直接影響光譜儀的波長標(biāo)定精度。因此對(duì)光柵刻線密度進(jìn)行高精度測(cè)試，具有重要的實(shí)際意義。
　　 對(duì)于凹面變線距光柵，其表面不同位置的刻線密度并不相等，因此對(duì)光柵中心單點(diǎn)的線密度測(cè)量或一維線

4、密度測(cè)量，已無法滿足測(cè)量需求。在論文第3章中，建立了光柵的二維刻線密度測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵表面任意一點(diǎn)的線密度進(jìn)行高精度測(cè)量。采用基于光柵衍射方程的衍射測(cè)量法作為本文線密度測(cè)試方法，并以Littrow光路，以獲得最小的系統(tǒng)誤差。首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)光柵的二維刻線密度分布的測(cè)量裝置，獲得兩塊光柵的線密度測(cè)試數(shù)據(jù)。并首次在光柵線密度衍射法測(cè)試系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)全息光柵的彎曲刻線條紋，可以利用此測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵刻線彎曲程度進(jìn)行測(cè)試。定義光柵線密度測(cè)試

5、誤差△N與實(shí)際線密度N之間的比值為測(cè)量精度，最終測(cè)試系統(tǒng)的絕對(duì)測(cè)量精度可達(dá)3.4×10-5。
　　 其次，一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在投入使用之前，必須經(jīng)過波長標(biāo)定這一環(huán)節(jié)，以確定探測(cè)器感光面上的任意一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長。波長標(biāo)定精度直接影響儀器的正常使用，如在化學(xué)分析、等離子體溫度診斷、天體速度測(cè)量等一些應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)波長精度有著非常高甚至近乎苛刻的要求。因此，研究高精度波長標(biāo)定技術(shù)，具有重要的意義。在論文第4章研究波長標(biāo)定的另一重要目的是為后文

6、軟X射線平場(chǎng)光譜儀的研制預(yù)先提供研究基礎(chǔ)。用一塊工作在可見光波段的凹面變線距光柵，搭建了一臺(tái)小型平場(chǎng)光譜儀，用于專門研究高精度波長標(biāo)定方法。提出一種基于光柵衍射方程、直接以光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為擬合變量、以光學(xué)分光系統(tǒng)的波長分布函數(shù)作為波長標(biāo)定模型的參數(shù)擬合波長標(biāo)定方法。與常用的基于多項(xiàng)式擬合的波長標(biāo)定方法相比，參數(shù)擬合波長標(biāo)定具有更高的波長標(biāo)定精度。其次，由于標(biāo)定模型是以光學(xué)系統(tǒng)物理參數(shù)（如光柵線密度、入射角、入射臂等光學(xué)元件相對(duì)位置

7、參數(shù)）作為擬合變量，通過本文提出的參數(shù)擬合波長標(biāo)定可以反算出這些參數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直、安裝水平，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試具有指導(dǎo)作用。此外，本章提出的參數(shù)擬合波長標(biāo)定方法，并不局限凹面變線距光柵光學(xué)系統(tǒng)，還可以作為采用平面陣列探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)的一種普適方法，并對(duì)其他光學(xué)系統(tǒng)具有參考價(jià)值。
　　 最后，在第5章給出了凹面變線距光柵在光譜儀器中的應(yīng)用實(shí)例，從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、像差考慮、光譜分辨率分析、儀器設(shè)計(jì)、調(diào)試安裝等多個(gè)方面，系

8、統(tǒng)地介紹了凹面變線距光柵光譜儀器的研制方法和過程。采用凹面變線距光柵作為分光元件，為中國科學(xué)院等離子體物理研究所的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克裝置研制一套高分辨率寬譜段、緊湊型，具有空間分辨的軟X射線-極紫外波段光譜儀。在托卡馬克運(yùn)行過程中，其內(nèi)部的等離子體中的雜質(zhì)會(huì)引起大量的輻射損失，制約所能獲得的等離子體的品質(zhì)，影響托卡馬克高參數(shù)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。利用光譜儀對(duì)托卡馬克內(nèi)部等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行診斷，是研究托卡馬克等離子體芯部雜質(zhì)輸運(yùn)的重要手段。