光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

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1、第29卷，第8期光谱学与光谱分析V01．29，N0．8，pp2281—22852OO9年8月SpectroscopyandSpectralAl1alysisAugust，2O09光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路周倩，李立峰清华大学精密仪器系，精密测试技术与仪器国家重点实验室，北京1O0O84摘要平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一，其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅，便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量，文章提出一种全息凸

2、面光刻胶光栅的消像差设计方法，优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将“光程函数级数展开法”和ZEMAx光学设计软件相结合，采用粗精两步优化的方法，显著提高了优化的效率和成功率。zEMAx对比仿真结果显示，复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。关键词衍射光栅；平场【Ul面光栅；凸面光栅；消像差设计中图分类号：()433．4文献标识码：ADOl：lO．3964／j．issn．1OOO—O593(2OO9)O8228l—O5高分辨率和高信噪比的光谱信息，这就要求凹面光栅兼具高引

3、言的成像质量和衍射效率。对于凹面光栅的成像质量，人们已经进行了大量的研平场全息凹面光栅(下文简称凹面光栅)是便携式光栅光究。给出了它的典型记录光路结构：光刻胶旋涂在凹面上，谱仪器中的关键元件，其性能直接影响了光谱的质量1]。点光源C和D发出球面波，形成明暗相问的干涉条纹，光刻评价其性能的两个关键指标是光谱成像质量和衍射效率。一胶发生光化学反应，记录下此干涉条纹，经显影后，得到所般来说，这两个指标是彼此独立的，在设计和制作中可以分需的凹面光栅。通过优化c和D，以及光谱仪中入射狭缝和别考虑。光谱成像质量决定了光谱分辨能力，进而影响光谱CcD探测器的位

4、置，可以有效校正像差，得到较高的成像质仪器的分辨率，它主要取决于凹面基底的形状和光栅栅线在量(图1)。空间上的整体分布情况[；衍射效率决定了光能利用率，进singh[6】对衍射光栅的优化设计理论及应用进行了细致而影响光谱仪器的信噪比，它主要取决于光栅槽型的微观结的评论，光程函数理论可以针对不同面型的凹面光栅灵活的构[。在弱光谱探测分析、真空紫外光谱分析中，需要获得选取需要?肖除的像差项进行优化，且易于利用电脑进行程序化处理，是目前使用较多的方法【7。。随着商用光学设计软件的出现，采用ZEMAX【”]等进行优化设计¨1。]也有了广泛／／’的应用。

5、

6、D'_多l，1．光栅的衍射效率主要取决于光栅的微观槽型。精确控制光栅微观槽形的主要方法是全息一离子束刻蚀法【1“]。然而，对于凹面光栅来说，由于凹面基底对离子束的遮挡作用，进D行刻蚀是十分困难的，在大多数情况下甚至是不可能的_1。＼，＼_光刻胶这导致人们一直都无法有效地控制它的槽型，成为长期以来＼困扰国内外研究人员的一个难题，也是目前凹面光栅的应用范围受到限制的原因之一。F．g．1Ge0metryfl0rdirectlyrecordirIg针对上述问题，我们提出了一种解决方法l1，首先利用nat-fjeldconcave舯tin全息法在凸面基底上

7、直接曝光制作出光刻胶光栅掩模，然后收稿日期：2008—06～08。修订日期：2[)08一O9—12基金项目：国家科技部项目(2OO4BA210AO6)资助作者简介：周倩，女，1981年生，清华大学精仪系光学工程博士研究生2282光谱学与光谱分析第29卷便可以方便地对其进行离子束刻蚀，得到槽型满足要求的凸的光线经光栅所成的A点的衍射像，其坐标为(r，铀)。母光栅，最后用此复制得到所需的凹面光栅。本方法中凹断光栅的成像质量直接决定于凸面母光栅栅线的空问整体分柿情况。闵此，如何得到合适的凸面母光栅，使最终复制得2消像差优化设计方法到的凹面光栅具有较高的

8、成像质量，就成为了这一方法所需解决的关键问题。对比图2，不难发现图2中两束记录光束需要穿过基底本文分析了凸面母光栅全息记录光路的消像差优化设计材料，其折射率和厚度会对凸面上形成的干涉条纹空问分布方法。通过将n面基底的厚度及其对两个记录光束的折射作产生影响，进而影响复制得到的凹面光栅的成像质量。因『H考虑进来，优化两个记录点、入射狭缝及cCD探测器的位此，在优化时必须考虑这一因素。置，呵以保证复制得剑的凹面光栅具有与传统直接曝光得到若采用“光程函数级数展开法”进行优化，由于光线在前的面光栅相当的成像质量。文中给出了优化设计实例以及表面上发生折射，且

9、该折线的转折点位于前表面上的某一未用zEMAX仿真得到的对比成像结果。知位置，要求出其解析解十分困难，相应的光程函数的解析式也极为复杂，