發(fā)布時間：2018-09-05 17:46

【摘要】：超環(huán)面全息光柵作為分光器件同時兼具色散、聚焦成像、校正像差、無鬼線、低雜散光等特性,自發(fā)明以來一直在極紫外和軟X射線波段高分辨率光譜儀等領域中發(fā)揮重要作用。超環(huán)面全息光柵的面型特征和刻槽分布規(guī)律使其具備了優(yōu)秀的消像差能力,但同樣使其研制難度大增,正是在這種情況下,本論文對超環(huán)面全息光柵的優(yōu)化方法和制作技術展開了一系列深入的研究。第一,本文根據(jù)費馬原理推導了超環(huán)面全息光柵的光程函數(shù)幾何像差理論和光線追跡點列圖理論;改進了傳統(tǒng)的光程函數(shù)理論優(yōu)化函數(shù),引入權重思想建立了新的超環(huán)面全息光柵光程函數(shù)優(yōu)化函數(shù);根據(jù)超環(huán)面全息光柵光線追跡點列圖建立了點列圖均方根優(yōu)化函數(shù);結(jié)合超環(huán)面全息光柵幾何像差理論和光線追跡點列圖理論設計了一種新的優(yōu)化設計方法,即平衡像差優(yōu)化設計方法,使用遺傳算法與局部優(yōu)化算法相結(jié)合的方式對光柵進行優(yōu)化設計,提高了優(yōu)化效率、進一步提升了光柵的光譜性能;對平衡像差優(yōu)化方法進行了驗證并為三種不同用途的超環(huán)面光柵進行了優(yōu)化設計。結(jié)果證明平衡像差優(yōu)化設計方法更適合對球面波曝光系統(tǒng)制作超環(huán)面全息光柵的參數(shù)進行優(yōu)化,為高分辨率超環(huán)面全息光柵的設計提供了理論基礎。第二,為了對超環(huán)面全息光柵制作工藝中至關重要的勻膠工藝進行理論指導,從流體力學和熱力學角度分析了超環(huán)面全息光柵旋轉(zhuǎn)涂覆法勻膠的工藝過程;建立了超環(huán)面全息光柵勻膠過程中光柵表面近似曲率半徑函數(shù);建立了超環(huán)面全息光柵在非潤滑狀態(tài)下的勻膠模型;通過結(jié)合實驗歸納和多項式擬合給出了建立完整勻膠模型所需的實驗室系數(shù);對建立的勻膠模型進行了實驗驗證,并且對不同工藝參數(shù)下的勻膠模型分別進行了對比和分析;討論推導了適用于潤滑與非潤滑狀態(tài)下的凹球面與平面光柵勻膠模型。實驗證明本文建立的一系列模型與實驗數(shù)據(jù)相吻合,能夠在一定程度上指導光柵制作中的勻膠工藝。第三,為了分析超環(huán)面全息光柵制作和使用過程中多種參數(shù)誤差對光譜性能的影響,本文首先建立了超環(huán)面全息光柵光譜性能評價函數(shù),該函數(shù)可以對超環(huán)面全息光柵光線追跡點列圖的像高、像寬和光譜綜合性能進行評價;深入分析光柵制作和使用過程中不同階段使用參數(shù)誤差、記錄參數(shù)誤差、基底面型誤差、勻膠參數(shù)誤差對光柵光譜性能的影響;模擬了各個參數(shù)之間的誤差補償作用,分析了通過其他參數(shù)補償某一階段單一誤差的方法;確定了光柵研制和使用過程中對光譜性能影響較大的參數(shù)和補償方法;理論指導了光柵研制和使用過程中對各種參數(shù)誤差的處理辦法。第四,對超環(huán)面全息光柵制作工藝進行了介紹;分析了旋轉(zhuǎn)涂覆法勻膠工藝中容易出現(xiàn)的瑕疵缺陷,并對各個瑕疵出現(xiàn)的原因和解決辦法進行了研究。結(jié)合超環(huán)面全息光柵的制作工藝、球面波曝光光路的設計和非對稱曝光顯影實時監(jiān)測技術介紹了寬波段單色儀中使用的超環(huán)面全息光柵具體制作方法。為超環(huán)面全息光柵的制作提供了理論指導和實驗依據(jù)。
[Abstract]:The toroidal holographic grating has been playing an important role in the fields of ultra-ultraviolet and soft X-ray band high resolution spectrometer since it was invented. The toroidal holographic grating has many advantages, such as dispersion, focusing imaging, aberration correction, ghost-free, low stray light and so on. In this paper, a series of in-depth studies on the optimization method and fabrication technology of toroidal holographic gratings have been carried out. Firstly, the geometric aberration theory of the optical path function and the ray-tracing point diagram theory of toroidal holographic gratings have been deduced based on Fermat's principle. The traditional optical path function theory optimization function is improved, and a new optical path function optimization function of toroidal holographic grating is established by introducing the weight idea; the root-mean-square optimization function of the point sequence diagram is established according to the ray-tracing point sequence diagram of toroidal holographic grating; the geometric aberration theory of toroidal holographic grating and the theoretical design of ray-tracing point sequence diagram are combined A new optimum design method, balanced aberration optimum design method, is proposed, which combines genetic algorithm with local optimum design method to optimize the grating. The optimization efficiency is improved and the spectral performance of the grating is further improved. The results show that the balanced aberration optimization method is more suitable to optimize the parameters of the toroidal holographic grating fabricated by the spherical wave exposure system, which provides a theoretical basis for the design of high resolution toroidal holographic grating. Secondly, it is necessary to carry out the leveling process in the manufacturing process of toroidal holographic grating. Under the guidance of theory, the process of rotary coating method of toroidal holographic grating is analyzed from the point of view of hydrodynamics and thermodynamics; the approximate curvature radius function of the grating surface in the process of homogenizing is established; the homogenizing model of toroidal holographic grating in the non-lubricating state is established; and the homogenizing model is induced and polynomial by combining experiments. Fitting gives the laboratory coefficients needed to establish a complete homogenizing model; validating the established homogenizing model by experiment, and comparing and analyzing the homogenizing model under different process parameters; discussing and deducing the homogenizing model of concave sphere and plane grating suitable for lubricating and non-lubricating conditions. A series of models are in agreement with the experimental data, which can guide the leveling process to a certain extent. Thirdly, in order to analyze the influence of various parameter errors on the spectral performance of toroidal holographic gratings during fabrication and use, the spectral performance evaluation function of toroidal holographic gratings is established, which can be used to evaluate the spectral performance of toroidal holographic gratings. The image height, image width and spectral comprehensive performance of the ray-tracing dot-map of toroidal holographic grating are evaluated; the effects of parameters errors, recording parameters errors, substrate surface errors and leveling parameters errors in different stages of fabrication and use of the grating on the spectral performance of the grating are analyzed in depth; and the error compensation between the parameters is simulated. The method of compensating a single error at a certain stage by other parameters is analyzed, and the parameters and compensation methods which have great influence on the spectral performance in the process of developing and using the grating are determined. The defects easily appeared in the rotary coating leveling process were analyzed, and the causes and solutions of the defects were studied. Combined with the fabrication process of toroidal holographic grating, the design of spherical wave exposure light path and the real-time monitoring technology of asymmetric exposure development, the toroidal surface used in wide-band monochromator was introduced. The fabrication method of holographic grating provides theoretical guidance and experimental basis for the fabrication of toroidal holographic grating.
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O438.1

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本文編號：2225001