光谱仪用平场凹面光栅凸面母光栅消像差设计思路.pdf

第29卷 ，第8期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 V01．29，N0．8，pp2281—2285 2OO9年 8月 SpectroscopyandSpectralAl1alysis August，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U【l面光栅 ；凸面光栅；消像差设计 中图分类号：()433．4 文献标识码：A DOl：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 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 。 _ 光栅的衍射效率主要取决于光栅的微观槽型。精确控制 D| 多 l，1． 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 ＼ ， ＼