全息平面变间距光栅位移传感器研究

基于变间距光栅位移传感器的基本原理,研究了高线密度变化率全息平面变间距光栅的制作方法.所作的变间距光栅已应用在变间距光栅位移传感器中,原理样机测试结果表明,系统分辨率可以达到0.05mm,相对误差可以控制在0.2%FS之内,优于设计指标.

变间距光栅刻线密度的测试精度分析

介绍了衍射法测量变间距光栅线密度的测量系统。该测量系统由激光器、准直镜、光栅转动台（含角度测量仪）、直线工作台、光栅调节架、探测器和待测光栅组成。分析了系统中各种误差对测量精度的影响，以及变间距光栅参数的变化对光学系统的影响和补偿办法。计算表明，该系统的测试精度满足光束线对光学系统的性能要求。

变间距光栅刻线密度测试系统的性能评价

在国家同步辐射实验室二期工程光束线的建设中,建立了一套变间距光栅刻线密度的测试系统。该系统采用衍射测量法测量光栅间距的变化,可以对光栅长度为100 mm的平面和凹面光栅的刻线密度进行测量。样品测量结果表明,该系统的测量精度△N/N<2×10^(-4),满足光束线工程的要求,可以作为NSRL进口的变间距光栅的验收工具。

全息平面变间距光栅刻线弯曲程度分析

简述了全息变间距光栅的几何理论，研究了不同记录参数情况下的刻线弯曲程度。给出了用于评价光栅刻线弯曲程度的表达式，并推导出了它的积分形式，使计算效率提高了2～3倍。结果表明：球面波与非球面波干涉得到的光栅线条并不一定比球面波干涉得到的线条要平直。

采用弹性基底制作变间距光栅

提出了一种新的制作变间距光栅的方法,即利用软刻蚀在厚度变化的硅橡胶(PDMS)上制作等栅距的光栅结构,然后对其拉伸加载,使其成为变间距光栅。对所制作好的变间距光栅采用基于衍射原理的逐点扫描法检测其线密度的分布,同时用经典理论推导了光栅表面的线密度分布,并对两种方法所得结果进行了比较发现,检测结果与理论分析结果相吻合。研究结果表明,这种制作变间距光栅的方法是可行的,与传统的制作方法相比,具有间距连续变化、变化规律不受光路控制以及制作成本低等优点。

全息平面变间距光栅线密度分布方程系数研究

简述全息变间距光栅几何理论,通过分析其线距变化系数,研究了全息记录参数对线密度分布方程系数的约束,给出了使全息记录得到的线密度分布方程与期望方程相吻合的必要条件。同时还给出了遗传算法优化计算后的误差曲线,并对理论分析进行了验证,计算结果与理论分析相吻合。

平面变间距光栅的夫琅禾费衍射场分析

采用对单缝衍射结果进行直接叠加和根据标量衍射理论进行严格积分的两种方法进行推导,分析平面变间距光栅的夫琅禾费衍射场光强分布.在光栅各周期狭缝宽度δ0相差不大时两种方法得到的光强分布差异不大;但当δ0变化较大时,虽然零级衍射中心重合,但是在其他级次,如一级衍射极大的光强在峰值大小和位置上都表现出明显的差异.文中还通过变间距光栅的实例和matlab数值模拟进行分析,根据标量衍射理论通过严格积分将能给出更为普适的结果.在此基础上,联系平面变间距光栅夫琅禾费衍射场的光强分布,对这类光栅的位移传感和自聚焦特性做了介绍.

变间距凸面光栅成像光谱系统的消像散设计

为了在系统结构简单的前提下实现凸面光栅成像光谱仪的大相对孔径、高分辨率成像、轻小型化以及系统的易加工装调,优化设计了一种基于变间距凸面光栅的消像差凸面光栅成像光谱系统,该系统为双光学元件全反射式同心结构,克服了已有消像差结构的复杂性与应用局限性。提出了基于光栅的像差理论进行消像差的设计方法,构建了系统的几何像差理论模型,并结合罗兰圆条件分析了系统在子午与弧矢方向上的聚焦条件,建立了凸面光栅刻线间距与系统像散关系的数学模型;通过全局化的优化算法实现了对凸面光栅成像光谱仪的消像散设计。设计结果表明该消像散的凸面光栅成像光谱系统在300~800 nm实现了相对孔径为F/2.7时极限光谱分辨力优于1.9 nm的高像质成像,可实现约201个高光谱通道,而且系统在全波段内的光学传递函数值优于0.7,对轻小型、高光谱的消像差凸面光栅成像光谱仪的研究具有重要意义。

基于位移传感器的全息平面变间距光栅设计研究

探讨了基于变间距光栅位移传感器的基本原理,运用遗传算法优化计算了记录光路,且指出了将记录参数误差所具有的影响考虑在目标函数当中,推导了目标函数所具有的具体积分形式,实现了计算效率的提升,对于用作位移传感器的平面变间距光栅,对球面波与非球面波干涉情况下以及球面波干预期所具有的全息记录参数进行计算,最终得到了线密度误差曲线,并完成了全息平面变间距光栅的制定工作,且在位移传感器中成功应用.

多芯光纤光栅形状传感性能与重构误差研究

多芯光纤光栅形状传感技术利用空分复用以及应变监测的优势,结合不同的栅点布设方案,实现待测对象的连续曲率和形状传感。首先介绍了多芯光纤光栅曲率和挠率传感原理,提出采用齐次矩阵变换的三维重构算法实现光纤的三维形状重构。为了探究不同光栅密度对实验精度的影响,利用算法编程模拟了不同光栅间距下的三维形状重构精度,依据模拟仿真的结果,建立了不同光栅间距与三维重构误差之间的关系。三维形状传感实验使用光栅间距为10 cm和5 cm的七芯光纤光栅串。实验结果表明,最大误差出现在尾点处,分别为2.56 cm和1.15 cm,占全长的3.2%和1.4%,平均误差为1.32 cm和0.62 cm,占全长的1.7%和0.8%。实验结果与仿真值比较接近,说明可以依据仿真结果对不同光栅间距下的三维形状误差进行预测。结合具体的应用场景合理配置测点资源,在较低的成本范围内实现高性能的检测。

一种可控曲面光栅的研制

提出了一种制作曲面变间距光栅的方法。首先在平面基片上制作光栅,然后通过一种高分子材料(PDMS)作为载体将光栅转移到曲面上,而事先涂在曲面上的混合溶胶-凝胶取代了传统的光刻胶,使得光栅的制作效率大大提高。采用这种方法在曲率半径为100 mm的凹球面基底上制作了平均线密度为80 l/mm的光栅,并用环境扫描电镜以及数字图像处理法检测了光栅的线密度分布。检测结果表明:光栅质量好,条纹清楚,衍射效率也没有降低。所制曲面光栅具有平面光栅和透镜两种光学器件的功能,可用曲面变间距光栅一种光学元件取代透镜和平面光栅两种光学元件,简化了光路,提高了制作效率,降低了成本。

光栅线距测量仪的设计

采用测量光束衍射角的方法,设计了一种作为标准块的光栅线距测量仪。实验表明,在实验室条件(20±1)℃,(760±10)mmHg的工作条件下,该测量仪可以测量线距800nm的光栅,测量不确定度在10-5。

机械刻划光栅的光线追迹方法

为了评价光栅的光谱质量,完成所设计光栅的光线追迹,针对机械刻划光栅的光线追迹提出了一种改进方法。在费马原理的基础上利用光程函数法得到入射光通过光栅后的光谱分布情况,再使用传输矩阵的计算方法构造出光谱的点列图。该方法适用于刻划在平面、球面和非球面基坯上的等间距和变间距光栅,光栅的光谱面可以为平面或者二次曲面。通过刻划在非球面基坯上的凹面光栅验证了光线追迹方法的可靠性。

155mm掠入射平场谱仪的理论研究

介绍了一种用于测量软X线的掠入射平场谱仪,依据变栅距刻线光栅的光路函数,计算了曲率半径为5 649 mm的光栅各点的间距,并推导和计算了入射光源为点光源时在聚焦平面上形成的聚焦点的分布,验证了先前文献中给出的结论.进一步计算了当改变入射距离为155 mm时所形成的像散,理论上验证了缩短入射距离后谱仪的可用性.

用于位移传感器的全息平面变间距光栅设计与制作研究

简述了全息变间距光栅的几何理论.利用遗传算法对记录光路进行了优化计算,提出在目标函数中考虑记录参数误差的影响,推导了目标函数的积分形式,提高了计算效率.针对用于位移传感器的平面变间距光栅,分别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参数,给出了线密度误差曲线.制作出全息平面变间距光栅,并成功应用于位移传感器中.

多模态函数优化的拥挤聚类遗传算法

对多模态函数优化问题,分析了各种小生境策略;将拥挤模型与聚类算法相结合,提出了一种拥挤聚类遗传算法.拥挤模型在适应值曲面上形成多个小生境,聚类算法消除了每个小生境内部的基因漂移现象.理论分析证明了算法的收敛性能.数值实例表明,拥挤聚类模型在多极值搜索的数量、质量和精度上都优于拥挤模型与确定性拥挤模型.将拥挤聚类遗传算法应用于国家同步辐射实验室变间距全息光栅的设计,取得了满意的效果.*

应用全息变间距光栅的极紫外成像光谱仪光学系统设计

随着对太阳等离子体活动物理过程研究的深入,对太阳极紫外成像光谱仪的性能要求越来越高,而设计高性能太阳极紫外成像光谱仪的一个重要方法就是应用变间距光栅。提出了一种应用全息变间距光栅的太阳极紫外成像光谱仪的设计方法:首先设计系统的初始光学结构,然后根据全息变间距光栅光程差原理,利用1stopt软件的通用全局优化算法计算出像差小的光栅,最后用Zemax软件对整个系统进行建模与优化。给出了设计实例,设计出的太阳极紫外成像光谱仪工作波长范围为17～21nm,视场为2400″,空间分辨率为0.6″,光谱分辨率为0.00225nm/pixel,长度约为2m。在光谱范围内,空间方向与光谱方向的均方根半径以及截止频率范围内的调制传递函数均满足要求。

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.

使用辅助光栅的平面变间距全息光栅加工理论研究

变间距全息光栅具有自聚焦和消像差功能,是高分辨率光谱仪与同步辐射单色器中的重要元件。研究了使用平面等间距光栅产生非球面波,记录平面变间距全息光栅的方法。根据几何光学的光线追迹理论,推导了光栅参量的四阶解析表达式。并基于费马原理,提出了记录光路的光线追迹数值算法。应用所推导的光栅参量四阶表达式,仿真设计了变间距全息光栅。通过合理选择记录参量,可以避免光栅基底受到零级及高阶衍射光场的影响。设计结果表明,理论光栅线密度与要求值相当符合;经光线追迹数值算法验证,解析表达式的展开误差在整个记录区域内小于1.5线;考虑到实际加工工艺允许误差,使用辅助光栅的记录光路对记录参量的误差并不敏感;设计实例证明了解析表达式的有效性,以及使用辅助光栅的记录光路的优越性。

共振非弹性散射光谱仪设计原理及性能测试

共振非弹性散射(RIXS)是一种研究分子、材料的电子结构的X射线光谱技术,其对光源、光谱仪都有着极为苛刻的要求。掌握先进RIXS光谱仪设计思想、使用方法、性能等对未来研究均具有重要意义。通过探究其设计思想,从光程函数理论方式出发并计算变间距光栅参数,逐一分析各像差项对最终成像结果影响;开发可见激光的非接触式测量方式测量电机编码与光谱仪部件角度关系,并验证该方式的有效性;在同步辐射实验站直接使用同步辐射X射线,对光谱仪成像分辨率进行标定,掌握光谱仪工作性能;最终将SHADOW模拟数据与实际探测数据进行对比,表明光谱仪安装调试满足设计及实验要求。