平面衍射光栅杂散光测试系统研究

发布时间：2017-12-22 03:10

  本文关键词：平面衍射光栅杂散光测试系统研究　出处：《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：光栅作为光谱分析技术的一种关键分光元器件,成为发展高精密光谱分析仪器的核心之一。光栅杂散光是光栅质量的一项重要技术指标,特别对高分辨率光栅更为重要。光栅杂散光主要是由光栅本身的缺陷所产生的,它对光谱仪器的信噪比造成极大的影响,直接影响到高精度光谱仪的测量精度和测量范围,只有准确测量出它的强度,才能够计算、判断和处理它对光谱数据造成的危害。目前,光栅杂散光的精确测量依然比较困难,国内外尚无统一的检测方法。从测量原理上主要有两种测量方式:一种是基于电磁场理论,采用会聚光入射,结合矢量衍射理论和Kirchhoff衍射方程,测量得到双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)。但是,采用会聚光对平行光使用条件下的光栅进行测量会存在较大误差,影响最终测量精度。并且双向反射分布函数(BRDF)理论是满足瑞利散射条件下的测量,主要用于粗糙表面杂散光的测量,但对于低刻线密度的光栅,其刻痕的尺度一般都大于一个λ,即不满足瑞利散射条件,而高刻线密度的光栅,一般希望考察的小角度内杂散光分布情况,即不满足理论的边界条件,测量的理论依据还不完善,难以从测量数据中反演出测量光栅的缺陷。另一种是采用与光栅实际使用方式一致的平行光照射,基于Fresnel-Kirchhoff衍射方程的经典标量衍射理论,测量得到光栅分布函数(Grating Distribution Function,GDF)。该方法对类光谱仪器的光栅杂散光有更严格的推导,但是,已有该类型仪器多采用Littrow结构或空间折叠布局,由于仪器本身比较紧凑,令仪器内部的杂光消除困难。并且Littrow结构后端的球面镜既充当准直镜又作为聚焦镜,为仪器本身引入了二次杂光干扰,使仪器对该球面镜表面精度要求较高。基于此,本文对平面衍射光栅杂散光测试系统进行了深入研究。具体研究工作如下:第一,基于Fresnel-Kirchhoff衍射方程的经典标量衍射理论,建立了平行光入射条件下光谱仪器中光栅杂散光的相对强度表达式以及光栅分布函数(GDF)的测量模型,为杂光建模分析和光栅表面参数反演提供了理论基础。第二,研究了电磁场理论与标量衍射理论的关联性,并结合基于电磁场理论的双向反射分布函数(BRDF)的分布形式,建立了光栅分布函数(GDF)与空间功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)的相关联模型,指导镜面加工和杂光建模。第三,采用模块化设计与光机一体优化设计相结合的方式,完成了系统的整体光学设计。实现了仪器在平行光照明的条件下,采用光学衰减法对15×15mm2~200×200mm2口径的不同刻线密度光栅380~900nm宽波段、高成像质量、低杂光的光栅分布函数(GDF)测量。第四,对平面衍射光栅杂散光测试系统进行杂光建模和分析,优化了系统中光阑、光学陷阱和遮光罩的设置,完成了仪器自身杂光抑制结构设计,并为狭缝、消光漆选型和光学元件加工等提供依据,实现仪器自身低杂光的要求,最终系统达到10-9的测量量级。第五,对系统进行精密光机装调,确定系统的测试能力和重复性,并研究了测量数据的修正和处理算法,获得了光栅分布函数,同时结合平面衍射光栅杂散光理论,得到光栅表面参数反演模型,为获得被测光栅表面参数提供理论基础,以求进一步为光栅质量检验和制作工艺改进提供参考依据。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN25

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本文编号：1318190