变线密度全息光栅的研制与检测

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1、第一章绪论第～章绪论§1．1研究背景衍射光栅一般是指有规则地配置着线、缝、槽或光学性质变化的一种高分辨率的色散元件。光栅的作用是对入射波前进行适当的修正，并在一系列确定的方向产生新的波前，是光谱仪的核心部分，对光谱仪的成像质量起着重要的作用。传统的平面光栅单色仪通常使用等线密度平面光栅和准直镜、聚光镜等辅助元件，使得光学系统复杂、加工难度高、成本贵，而且出射光能损失大。为了取得高的光通量，单色仪必须使用尽量少的光学元件；而要提高分辨率，就必须消除各种像差。变线密度平面光栅单色仪具有自动聚焦和消慧差

2、的能力，可以大幅度地提高单色仪的分辨本领，将杂散光大为减少；并可以节省大量的光学元件，极大地简化了单色仪的设计和加工；所以在激光核聚变装置、太空望远镜、同步辐射应用等尖端科技中有着重要的应用⋯“mm3。变线密度平面光栅在上个世纪初就有人提出来了，但是由于受到制造和检测技术的限制，长期以来一直得不到发展，近三十年来，由于制造工艺、检测技术的发展和同步辐射的迫切需要，这种光栅才逐步被采用。美国的EUV太空探测器就大量使用了该光栅，一方面使得该探测器的重量减轻，降低了发射成本，另一方面减少了光学元件，使

3、它们更加坚固耐用。在同步辐射领域内，光束线越来越复杂，安装、维护、调整越来越不方便，目前世界上主要的同步辐射装爱都使用了这种光栅，以简化光束线。我校的国家同步辐射实验室咀及北京正负电子对撞击机的同步辐射部分也使用了该光栅，但是依靠进VI。我国重要的某国防研究基地，也拟在激光核聚变装置中使用这种光栅，作为分光仪器的关键部件。国外主要的光栅制造商有法国的Jobin—Yvon公司“1、德国的CarlZeiss公司、美国的Richardersongratinglaboratory”1和Spectrogon

4、”1公司、日本的Hitacbi和Shimadzu公司等，他们可以提供各种类型的机械刻划、全息和全息离子束刻蚀光栅。法国的Jobin—Yvon公司已为世界上很多的同步辐射光束线提供了衍射光栅，中国科学技术大学国家同步辐射实验室二期工程新建光束线所用的光栅也是从该公司进口。国内从事光栅制作的单位很少，主要是长春光学精密机械研究所、北京光学仪器厂和上海光学仪器厂，以机械刻划、复制光栅为主，以及少量的全息光栅。国内以前不能制造变线密度全息光栅，不得不进口。这～方面，在价格、质第一章绪论量和交货期上都受制于

5、国外公司，延误了国家重大项目的进展；另一方面，国家花费了大量的外汇，还难以保证最终的光栅质量，进而影响了进一步的科研任务。因此，为了满足我国核科学、空间科学以及军事和国防发展的需要，中国科技大学国家同步辐射实验室在中科院创新工程的支持下展开了利用全息光刻制作变线密度光栅的研究。目前已经为西安某航空研究所提供了间距连续变化的光栅样品，同时还在为我国重要的某国防研究基地和合肥国家同步辐射实验室研制高质量的变线密度光栅。目前，制作变线密度光栅的方法主要有：机械刻划和全息光刻。变线密度光栅的制作因受光路和

6、环境等因素的影响难度很大，而高精度的检测技术与之相配合既可以检测所制光栅的质量，又可以在线指导光栅的制作。因此本文的工作主要由变线密度全息光栅的研制和检测两个方面组成。本文的研究工作是基于两个国家自然科学基金项目“变间距光栅的研制和检测”和“探索变间距全息光栅新的研制和检测理论”，主要是针对后者。论文的研究内容如下：1．提出了变线密度全息光栅制作过程中的在线全场检测技术，研究了检测原理，推导出相关公式，并进行了初步的检测研究2．采用弹性基底探索性地研制了线密度规则变化的光栅，并用理论推导和实验检测

7、的方法验证了其合理性。3．采用混合溶胶凝胶法在曲面上得到了变线密度全息光栅，所得曲面光栅同时具有光栅的衍射特性和曲面的汇聚特性。4．探索了耐高温网格图及散斑图的制作方法，高温变形检测技术进行了技术探索。§1．2光栅的制作方法§1．2．1机械刻划机械刻划的光栅多用来作为复制光栅的母光栅。机械刻划的工艺流程如图卜l所示。首先是在精密光学抛光的光栅基底上蒸镀铝或金的金属膜，然后用金刚石刻刀在其上挤压或抛光形成刻槽。但在落刀之前，需用干涉显微镜进行准直和电子显微镜精确测量槽形和槽间隔(光栅周期)。每次检查

8、完金刚石刻刀都需要重新调整，直到完全满足待刻光栅的要求。所以蜕母光栅的刻划是一个耗时，费力的过程。由于刻划速度慢，小尺寸光栅的刻划一般要几天亡==二==二二三二]罄片准备—_●●__■____-__{-．-．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．J镀铝。'㈣，机械刻划图卜l机械刻划工艺流程第一章绪论到几个星期，大尺寸高线密度光栅的刻划则需耗费更多的时间。而且在此期间不能有任何失败或明显的刀刻磨损，否则会有鬼线