平场全息凹面光栅几何拟合法设计及制备技术研究

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 1.99MB 52 页 15积分

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摘要

本文基于凹面光栅的像差理论，提出了一种几何拟合优化设计平场全息凹面

光栅的方法。这个方法是在使用波段范围内，将对凹面光栅像差影响最大的切向和弧矢像

散聚焦曲线与像平面之间的面积最小作为消平场像差的基本目标，对入射狭缝位置参数、

曲率半径和有效刻线数进行优化设计，找到最佳拟合条件，计算出制作参数。具

体的做法是使用 LABVIEW 软件编程，对不同设计参数在合理范围内进行扫描，

找到使面积最小的参数即最佳设计参数。再根据最佳设计参数，使用 VB 编程求

解制作点位置参数的数值解。再根据制作点参数用全息记录方法制作消像散平场

凹面光栅，然后以此为掩模，采用离子束蚀刻技术制备闪耀平场全息凹面光栅。

本文采用的消像差设计方法物理意义清晰、准确、直观。

本文还讨论了不同入射角度，光栅有效刻线数，曲率半径对消像差的影响，

发现入缝位置对离焦像散影响最大；曲率半径对入缝位置优化没有影响，增大曲

率半径，离焦像散越小；在一定的使用条件下，有效刻线数有一个最佳范围，可

根据探测器像素尺寸、光谱分辨能力要求在此范围内优化选择。

本文利用 CODE V 软件对光栅进行模拟分析，用-1 级点列图进行评价，取

得模拟与设计相一致的结果。

本文根据制作参数搭建了全息凹面光栅曝光光路，对全息凹面光栅的制作工

艺以及离子束刻蚀凹面光栅进行深入的研究，取得一套制备工艺参数。

本文搭建了反射式凹面光栅测试仪系统，检测了光栅的衍射效率、分辨率和

色散。

主要研究成果：

1、提出了一种新的在整个使用波长范围内，通过几何拟合优化设计平场全息凹

面光栅的方法。

2、搭建了全息凹面光栅曝光光路，对全息凹面光栅的制作工艺以及离子束刻蚀

凹面光栅进行深入的研究，取得一套制备工艺参数。

3、搭建了衍射测试系统

关键词：凹面光栅像差衍射效率

ABSTRACT

Based on the aberration theory of concave gratings, a geometric fitting method

for optimal design of the aberration-corrected flat-field holographic concave gratings

is described. That is to make the minimum area between the defocus focusing curve

and the astigmatic focusing curve over the entire spectral range as the condition of

optimal design, and search for the minimum area by LABVIEW scanning of different

parameters in separated proper numerical range according to the area formula. Then

use VB to calculate the location parameters of the two recording sources which

determined the designed concave gratings. Then prepare gratings and using ion beam

etching technology to make blazed flat-field holographic concave grating.The

proposed geometric fitting method can be shown by figure, thus very intuitive to

readers. Besides, its physical meaning is clear and accurate.

In this paper, the aberrations under different incident angles, different effective

grating grooves and different radii are discussed. The results indicate that the incident

angle has the biggest influence on the defocus; Radius has little influence on the

optimal incident angle; The bigger the radius is, the smaller the defocus becomes; In

certain conditions, there is an optimal range for effective grating grooves, so an

optimal choice can be made according to the spectrometer needs of detector pixel size

and spectral resolution ability.

Analyze the gratings by simulating with CODE V, evaluate the RMS spot

diameters at order -1. The results are in accordance with the optimal design.

Set up the exposure optical path of concave holographic grating according the

recording parameters; Get a set of process parameters for prepare flat-field

holographic concave gratings by a depth study of holographic and ion beam etching.

Set up a test system to test dispersion, resolution and diffraction efficiency of the

holographic concave grating.

Main research achievements:

1、Proposed a new geometry fitting method to optimal design the flat-field

holographic concave grating in the entire wavelength range.

2、Set up a test system to test dispersion, resolution and diffraction efficiency of the

holographic concave grating.

3、Set up the test system for holographic concave grating.

Keyword: Concave grating, Aberration, Diffraction efficiency

III

中文摘要........................................................................................................................ I

ABSTRACT .................................................................................................................. II

第一章绪论.................................................................................................................. 1

§1.1 研究目的和意义............................................................................................ 1

§1.2 凹面光栅的研究进展.................................................................................... 1

§1.3 论文主要内容和结构安排............................................................................ 2

第二章全息凹面光栅的像差理论.............................................................................. 3

第三章平场消像差全息凹面光栅的优化设计.......................................................... 8

第四章软件模拟不同参数对像差的影响................................................................ 11

§4.1 不同参数对像差的影响.............................................................................. 11

§4.1.1 入射角对像差的影响........................................................................ 11

§4.1.2 光栅曲率半径对像差的影响............................................................ 13

§4.1.3 刻线数对像差的影响........................................................................ 13

§4.2 CODE V 点列图评价 ................................................................................... 14

第五章全息凹面光栅的制作.................................................................................... 17

§5. 1 基坯处理..................................................................................................... 17

§5.2 涂胶.............................................................................................................. 18

§5.2.1 光致抗蚀剂......................................................................................... 18

§5. 3 前烘............................................................................................................. 19

§5. 4 全息曝光..................................................................................................... 19

§5. 4.1 曝光衍射效率实时监测系统............................................................ 20

§5.5 显影.............................................................................................................. 23

§5.6 后烘.............................................................................................................. 24

§5.7 离子束刻蚀................................................................................................... 24

§5.8 清洁处理...................................................................................................... 25

§5.9 真空镀膜...................................................................................................... 25

第六章离子束刻蚀全息凹面光栅............................................................................ 26

§6.1 技术背景...................................................................................................... 27

§6.2 反应离子束刻蚀........................................................................................... 27

§6.3 kaufman 离子源......................................................................................... 28

§6.4 闪耀全息凹面光栅蚀刻方法...................................................................... 29

§6.5 平场像全息凹面光栅蚀刻的关键技术...................................................... 31

第七章检测与分析.................................................................................................... 33

§7.1 色散本领...................................................................................................... 33

§7.2 色分辨本领.................................................................................................. 34

§7.3 衍射效率....................................................................................................... 36

§7.3.1 衍射效率测试原理............................................................................ 36

§7.3.2 衍射效率测试方案............................................................................. 37

§7.3.3 500g/mm 的凹面全息光栅衍射效率测试 ..................................... 38

§7.3.3 1200g/mm 的凹面全息光栅衍射效率测试 ................................... 39

第八章总结与展望.................................................................................................... 42

附录一..........................................................................................................................43

附录二..........................................................................................................................45

参考文献......................................................................................................................47

第一章绪论

§1.1 研究目的和意义

光谱仪器是集光、机、电和计算机于一体，技术密集的高科技产品。它通过

分析物质发射、吸收或散色的光的光谱组成来确定该物质的化学组成和结构，

广泛应用于化工、生物、冶金、航天、军事、天文以及其它物质分析研究行业。

从某种程度上讲，光谱仪器可以代表一个国家科技发达的水平。制约我国光谱

仪器发展的瓶颈是仪器的关键部件的技术水平和它的稳定性和可靠性。光谱仪

器的关键部件是指仪器的光源、分光器件和探测器件。目前国内外光谱仪器的

分光器件普遍采用的是光栅，因此研制高性能、高分辨率的光栅，摆脱高性能

光栅依赖进口的现状，取得我们自己知识产权的技术，是提高我国光谱仪器水

平的关键之一。

在不同类型的光栅中，凹面光栅与传统平面光栅相比，同时具有色散元件

和聚光元件的特性，不需要准直。在采用凹面光栅的光谱仪器中，利用全息记

录技术获得的具有变间距曲线槽的平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之

一，它不但具有适合与面阵探测器结合使用的平直的成像光谱面，还具有校正

像差的能力及高效率、低杂散光、无鬼线、高信噪比、小 F 数的特点。如果

将其应用于微型光谱仪系统，那么整体系统只需要一个光学元件，可替代传统

光谱仪 C—T(Czerny—Turner)结构中的两块凹面反射镜和平面光栅,将大大简

化系统。因此平场凹面光栅的性能将直接影响光谱仪的质量，对它的研究是十

分必要的。为此，找到它的最优化设计参数是光谱仪系统的一个关键问题。

§1.2 凹面光栅的研究进展

自Rowland 首次提出凹面光栅以来，有关凹面光栅的理论就获得了不断发

展[5~8]。1945 年，Beutler 率先总结了使用条件在罗兰圆上的凹面光栅的理论研

究[5]，研究结果表明能够消除子午像差，但是当像点远离凹面球心时存在较大

的弧矢像差。上世纪七十年代，T. Namioka, H. Noda 和M. Seya[8]等人建立了较

为完善的凹面光栅几何理论，适用于各种全息和机刻凹面光栅[2]。在过去的几

十年里，以这些理论为基础，采用各种优化设计方法，制作了大量的全息凹面

光栅[9-12]，如 T. Namioka 用几何光学的方法设计优化了球面光栅及非球面光栅

[12]，M. Seya 用最小二乘法设计优化了全息凹面光栅[13]，Bazhanov Yu 用全息补

偿法优化像差。国外对凹面光栅的理论研究不仅处于领先地位，而且凹面光栅

平场全息凹面光栅几何拟合法设计及制备技术研究

制造工艺也已成熟。日本的岛津、法国的 Jobin Yvon 等公司处于世界光栅及光

谱仪生产的领先地位。国内对各类光谱仪器的需求量日趋增大，因此对核心分

光部件光栅的需求量也随之增加。由于国内的光栅生产厂家屈指可数，而且生

产的光栅质量和进口光栅还是有一段差距，所以国内光栅市场很大部分都是被

国外厂家所占领。制约我国凹面光栅发展的主要因素是理论研究，即便是工艺

水平达到了要求，但是也很难得到分辨率高且消像差的凹面光栅。国内对凹面

光栅理论和工艺的研究还处于起步阶段,很少已见报道的研究工作。

§1.3 论文主要内容和结构安排

平场全息凹面光栅的光谱无像差设计的关键是要求在使用光谱范围内，光

谱的聚焦点最大限度地接近聚焦平面，因此离焦像差是影响最大的，需要首先

消除的像差项。由于光谱的色散受探测器的尺寸和像素尺寸的限制，且随着探

测器制作技术的不断进步，像素尺寸愈来愈小，要求光栅具有很高的色散和光

谱分辨率才能达到仪器分辨率指标。而探测器尺寸的增加，要求光栅在很宽的

光谱范围内，具有很好的光谱质量，才能满足仪器的宽光谱分析。本文提出一

种几何拟合方法，即在使用波段范围内，将两条聚焦曲线与像平面之间的面积

最小消平场像差的基本目标，对入射狭缝位置参数、曲率半径和有效刻线数进

行优化设计，找到最佳设计参数。从而找到最佳设计参数下的制作点，利用全

息的方法制作出全息光栅。这种方法表达清晰，更加方便、准确和直观，从原

理上找到使用条件下，水平和垂直方向上像差最小的制作点位置。

本文一共分为十章，论文第一章为绪论，简单介绍研究平场消像差全息凹

面光栅的目的和意义，并分析了凹面光栅的研究进展；第二章从光程函数出发

详细研究了全息凹面光栅的像差理论；第三章是优化设计的核心章节，详细介

绍了一种全新的平场凹面光栅的几何拟合法；第四章是软件模拟不同参数对像

差的影响，结合使用了 LABVIEW 和CODE V,分析了点列图，同时也证明了

本文中消像差方法的可行性；第五章详细介绍了全息凹面光栅的制作；第六章

进行了离子束刻蚀制作工艺的研究。第七章进行了全息凹面光栅的检测和分析；

第八章总结全文。

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摘要：

I摘要本文基于凹面光栅的像差理论，提出了一种几何拟合优化设计平场全息凹面光栅的方法。这个方法是在使用波段范围内，将对凹面光栅像差影响最大的切向和弧矢像散聚焦曲线与像平面之间的面积最小作为消平场像差的基本目标，对入射狭缝位置参数、曲率半径和有效刻线数进行优化设计，找到最佳拟合条件，计算出制作参数。具体的做法是使用LABVIEW软件编程，对不同设计参数在合理范围内进行扫描，找到使面积最小的参数即最佳设计参数。再根据最佳设计参数，使用VB编程求解制作点位置参数的数值解。再根据制作点参数用全息记录方法制作消像散平场凹面光栅，然后以此为掩模，采用离子束蚀刻技术制备闪耀平场全息凹面光栅。本文采用的消像差设...

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