光栅刻制技术.doc

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1、AAICPKUTechnical世界上最好的中阶梯（Echelle）光栅的刻制沈良华、徐子培编译ICP光学性能ThermoElemental的IRIS全谱直读ICP光谱仪一族采用了一个高度最佳化的光学系统，即其屮阶梯光学系统与ICP光源和CID检测器达到最佳匹配，从血获得最大的光强输出。ThermoElemental有一个采用最好光学元件的悠久历史，以致她所生产的每台光谱仪都能保证得到最佳的性能。ThermoElemental独特的、专业化的技能是生产高性能光学光栅的保证。在这份技术短文屮（作者为RobertJ.Krupa博士和EugeneR.Perei

2、ra光学光栅工程师），我们很自豪地叙述了ThermoElemental制造光学光栅的历史，并介绍了刻制世界上最好的屮阶梯光栅的过程。制造光学光栅的历史光栅是光学光谱仪的心脏部分。在过去的50年中，电子、软件及自动化都得到快速的发展，而光栅的改进却是滞缓而固难。1949年GeorgeRHarrison在马省理工学院（MIT）发明了中阶梯光栅。中阶梯光栅解决了一个在刻制光栅吋所碰到的问题，即如何制止钻石工具的磨损问题。即使光栅是刻制在相当柔软的材料，如铝、金和铜上，当在金属表面上精细地加工光栅吋，这些金属也将很细微地磨损钻石工具。钻石工具的磨损将导致整个光栅

3、刻槽形状的改变，使其分辨率降低而杂散光增强。我们可以设想一下，在一块面为50X100mm的空白光栅上，刻制每毫米为2400线的光栅，钻石工具将在表面材料上走动12000m（相当7.5英里）。为了获得优于2400条/mm刻线光栅的分辨率，同吋降低钻石工具的走刀路程，Harrison设计了屮阶梯光栅，屮阶梯光栅每毫米仅为50条刻线，在相同的50X100mm的空白光栅上，钻石工具走动250m（相半820英尺）！今天，我们采用屮阶梯光栅不但是因为减少了钻石刀头的磨损，而且是因为当它与棱镜交叉色散时可获得的高分辨率二维屮阶梯光谱，该二维光谱与电荷转移阵列检测器（例

4、如CID）实现最佳匹配。原来的刻线机在二十世纪50年代，JairellAsh公司（ThermoElemental的前生）先后研制了两台机械光栅刻制机。一号机具有可以在每英寸屮刻制确切槽数的传动装置，而二号机可设定刻制每毫米特定的条数。JL述机械屮的关键部件，诸如Nit「合金（Nitralloy）的滑台导轨、导向螺杆以及导向螺杆传动装置，在其制造吋是非常小心且费力地用手工研磨抛光而成，以获得最好精度。60年代，二号机的精度由于增加了一个测量放置光栅胚模(Gratingbkink)滑台位置的干涉仪而大大提高。其原理是通过传动装置的差异，干涉仪用作为反馈回路以

5、校正导致螺杆的微小但必然存在的误差。这两台仪器在其服务的三十年里作出了令人满意的贡献。1990年，科学家们对二号机作了一个彻底的现代化改造，将其技术水平提高为“艺术级”，以满足刻制机械所要求的最严竣的挑战，它被用于刻制小阶梯光栅。新的刻线机ThermoEnvironmental的SteliosPezaris博士承担了二号机现代化改造的丁•作。Pazari博士是一位在设计高精密机械方面世界著名的科学家，他在设计精度及准确度远远高于瑞士钟表的机械的细微之处及质量方血很有造诣。Pezaris博士应用当今最先进的测量及控制技术，重新设计了刻制机上的绝人部分移动部

6、件。原刻制机上的滑台是经研磨及抛光的，其准确度为1弧秒(1arc-second)oPezaris博士设计了安装钻石刻刀的新刀架。利用独立的、一个用光学编码器控制速度的高精度电动机，替换驱动刻制机的齿轮和丝杆。新电动机是用电脑来修正由于其定子绕组产生的误差，此电机是用三相电压來驱动。FIGURE1:RulingEngineBlockDiagram移动光栅空白坯模经过钻石刻刀轨道的移动滑台位置是由两束HP(惠普)的激光干涉光束所控制。两个光束读数之和用來检测滑台的位置。它们之差检测出轨道的任何偏移误差。通过一个装在滑台丄的压电传感器校正偏移影响。使用第三个干

7、涉仪的激光光束，连续测定一个固定参比距离的精度，根据大气压力、温度、湿度的变化血得到此干涉议的激光波长变化的校正因数。自己设计的特殊电子线路和软件改善了干涉代的分辨率，从标准的5nm改善至O.lnmo为了避免光栅上任何周期性误差而产生散射光，这种高分辨率是必需的。安装光栅空口坯模的移动滑台是以纵向恒定速度移动的。半到达需刻槽的座标位置吋，带动钻石刀架的电机就起动了，将精密抛光的钻石刀拉过镀铝表面，然后再回到原来的起始位置上。这个过程重复上千次，直至整个光栅刻好。为了避免刻制机所用材料由于温度的变化而产生的热胀冷缩所产生的误差,整个刻制机密封在一个隔热箱屮

8、，隔热箱的一部分浸在一个油浴屮。这个隔热箱安放在一个3x5x3m的箱室屮，此箱室