本文關(guān)鍵詞：平面衍射光柵雜散光測試系統(tǒng)研究　出處：《中國科學院長春光學精密機械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：光柵作為光譜分析技術(shù)的一種關(guān)鍵分光元器件,成為發(fā)展高精密光譜分析儀器的核心之一。光柵雜散光是光柵質(zhì)量的一項重要技術(shù)指標,特別對高分辨率光柵更為重要。光柵雜散光主要是由光柵本身的缺陷所產(chǎn)生的,它對光譜儀器的信噪比造成極大的影響,直接影響到高精度光譜儀的測量精度和測量范圍,只有準確測量出它的強度,才能夠計算、判斷和處理它對光譜數(shù)據(jù)造成的危害。目前,光柵雜散光的精確測量依然比較困難,國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的檢測方法。從測量原理上主要有兩種測量方式:一種是基于電磁場理論,采用會聚光入射,結(jié)合矢量衍射理論和Kirchhoff衍射方程,測量得到雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)。但是,采用會聚光對平行光使用條件下的光柵進行測量會存在較大誤差,影響最終測量精度。并且雙向反射分布函數(shù)(BRDF)理論是滿足瑞利散射條件下的測量,主要用于粗糙表面雜散光的測量,但對于低刻線密度的光柵,其刻痕的尺度一般都大于一個λ,即不滿足瑞利散射條件,而高刻線密度的光柵,一般希望考察的小角度內(nèi)雜散光分布情況,即不滿足理論的邊界條件,測量的理論依據(jù)還不完善,難以從測量數(shù)據(jù)中反演出測量光柵的缺陷。另一種是采用與光柵實際使用方式一致的平行光照射,基于Fresnel-Kirchhoff衍射方程的經(jīng)典標量衍射理論,測量得到光柵分布函數(shù)(Grating Distribution Function,GDF)。該方法對類光譜儀器的光柵雜散光有更嚴格的推導,但是,已有該類型儀器多采用Littrow結(jié)構(gòu)或空間折疊布局,由于儀器本身比較緊湊,令儀器內(nèi)部的雜光消除困難。并且Littrow結(jié)構(gòu)后端的球面鏡既充當準直鏡又作為聚焦鏡,為儀器本身引入了二次雜光干擾,使儀器對該球面鏡表面精度要求較高。基于此,本文對平面衍射光柵雜散光測試系統(tǒng)進行了深入研究。具體研究工作如下:第一,基于Fresnel-Kirchhoff衍射方程的經(jīng)典標量衍射理論,建立了平行光入射條件下光譜儀器中光柵雜散光的相對強度表達式以及光柵分布函數(shù)(GDF)的測量模型,為雜光建模分析和光柵表面參數(shù)反演提供了理論基礎(chǔ)。第二,研究了電磁場理論與標量衍射理論的關(guān)聯(lián)性,并結(jié)合基于電磁場理論的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)的分布形式,建立了光柵分布函數(shù)(GDF)與空間功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)的相關(guān)聯(lián)模型,指導鏡面加工和雜光建模。第三,采用模塊化設(shè)計與光機一體優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合的方式,完成了系統(tǒng)的整體光學設(shè)計。實現(xiàn)了儀器在平行光照明的條件下,采用光學衰減法對15×15mm2~200×200mm2口徑的不同刻線密度光柵380~900nm寬波段、高成像質(zhì)量、低雜光的光柵分布函數(shù)(GDF)測量。第四,對平面衍射光柵雜散光測試系統(tǒng)進行雜光建模和分析,優(yōu)化了系統(tǒng)中光闌、光學陷阱和遮光罩的設(shè)置,完成了儀器自身雜光抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計,并為狹縫、消光漆選型和光學元件加工等提供依據(jù),實現(xiàn)儀器自身低雜光的要求,最終系統(tǒng)達到10-9的測量量級。第五,對系統(tǒng)進行精密光機裝調(diào),確定系統(tǒng)的測試能力和重復性,并研究了測量數(shù)據(jù)的修正和處理算法,獲得了光柵分布函數(shù),同時結(jié)合平面衍射光柵雜散光理論,得到光柵表面參數(shù)反演模型,為獲得被測光柵表面參數(shù)提供理論基礎(chǔ),以求進一步為光柵質(zhì)量檢驗和制作工藝改進提供參考依據(jù)。
【學位授予單位】：中國科學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】：2017
【分類號】：TN25

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