变间距光栅设计、制作及其在位移传感器中的应用研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文变间距光栅设计、制作及其在位移传感器中的应用研究姓名：楼俊申请学位级别：博士专业：核技术及应用指导教师：付绍军20060401中国科学技术大学博士学位论文楼俊摘要摘要自从19世纪末HenryRowland发明衍射光栅刻划机和凹面光栅分光装置以来，光栅分光仪器就已成为光谱分析领域的主角。光栅是光谱分析研究中的重要色散元件，其作用与棱镜相似，但在许多方面光栅的性能更好，并且使用方便。在许多光谱仪器中，光栅成本仅占总成本的-d,部分，但衍射光栅的质量却从根本上决定了整个系统所能达到的光谱性能。理论分析

2、表明，有目的的改变光栅的线密度分布(即周期分布)或者改变光栅基底的面形，有可能使光栅具有自动聚焦和消像差的能力，从而可以减少系统中的光学元件，提高仪器的分辨率。变间距光栅(Variable—Line．SpaceGratings或Varied．Line．SpaceGratings，简称VLS光栅)也叫做消像差光栅，其线密度分布一般用线密度分布方程来表示，它直接影响VLS光栅的聚焦性能和像差两个主要参数。广义上任何变周期的光栅都可以称为VLS光栅。VLS光栅在19世纪末就被提出，上世纪五六十年代激光的出现，使我们可以利用全息的

3、方法来制作VLS光栅。目前VLS光栅已广泛应用于同步辐射光束线、光纤通信、光电探测、等离子体物理研究、空问光谱仪、表面干涉计量等领域，深入研究VLS光栅的设计、制作及其应用，具有非常重要的意义。国外研究VLS光栅已经有多年的历史，国内相关研究很少，其设计、制作以及应用仍需进一步研究。本文第二章介绍了衍射光栅原理、分类及其应用简介。在第三章中，我们简述了以光程函数为基础的全息变间距光栅几何理论，研究利用遗传算法对全息VLS光栅光路进行优化计算，推导出了目标函数的积分形式；计算了球面波干涉及球面波与非球面波干涉情况下的全息记录

4、参数，给出了线密度误差曲线；分析了记录参数误差对线密度分布的影响；由于一维线密度分布方程相同的VLS光栅，其刻线弯曲程度可能会有很大的差异，因此还研究了不同记录参数情况下的刻线弯曲程度，并给出了用于评价光栅刻线弯曲程度的表达式，指出球面波与非球面波干涉得到的光栅线条并不二定比球面波干涉得到的线中国科学技术大学博：：}学位论文楼俊摘要条要平直；对全息记录参数与线密度分布方程系数之间的约束进行分析，在此基础上我们给出了设计VLS光栅时线密度分布方程中各参数必须满足的必要条件。第四章研究全息VLS光栅的制作方法，简要概述了干涉条

5、纹稳定性的重要性，详细介绍了利用球面波干涉和球面波与非球面波干涉制作VLS光栅的方法，同时指出制作过程中的重点与难点。第五章对VLS光栅位移传感器进行了研究，介绍了VLS光栅位移传感器的基本原理及其系统结构，将全息方法制作而成的VLS光栅应用于位移传感器中，对传感器分辨率进行了测试，并给出了衍射波长曲线和位移误差曲线，测试结果优于设计要求。第六章对本论文工作进行了总结，并指出下一阶段需要解决的问题。关键词：光栅，全息光栅，变间距光栅，刻槽分布函数，遗传算法，位移传感器中国科学技术大学博士学位论文楼俊AbstractDiff

6、ractiongratingsarewideusedtodisperselight，whichiStodisperseincidentlightintoangulardirectionscorrespondingtothewavelengthofincidentlight．Attheendofthe19thcenturyHenryRowlandinventedtherulingmachineofdiffractiongratingsandtheconcavegratingmounting，henceforthdiffrac

7、tiongratingshavereplacedprismsinmostfieldsofspectralanalysis．Subsequentproductionofhighqualitygratingsledtosignificantadvancesinanalyticalspectroscopy．Ithasfoundawideapplicationfromthefundamentalresearchtotheapplicationstudy．Theoreticanalysisshowthatthechangesofgr

8、oovedensity，line—profileandgratingsubstrate(blank)shapesendowgratingstheabilityoffocusingandreducingaberration，SOtheamountofreflectivemirrorsaredecrease