（核技术及应用专业论文）变曲率光栅的成像特性研究及相关测试技术.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 同步辐射装置正处于蓬勃发展的新阶段，为适应同步辐射应用的新要求，发 展同步辐射光束线技术成为重要的工作内容。单色器是光束线的心脏部分，而色 散元件光栅是单色器的核心元件，开展一些有关单色器的理论研究和光栅的检 测等工作，对提高光束线单色器技术是有意义的。 另一方面，光束线中使用的光学镜一般表现为窄而长的形状，而且对它们的 表面质量和形貌参数的要求也越来越苛刻，因此非球面轮廓测量系统的研制也成 为同步辐射技术中一个重要的科研课题。 本文把研究内容定位于同步辐射的光束线技术，其中重点关注的是光束线的 单色器理论及相关检测技术。近来，出于改善d r a g o n 球面光栅单色器扫描需要 移动出射狭缝较长，进而引起样品处光斑变化等缺点，人们提出了变曲率光栅单 色器的概念。目前，该类单色器还处于研发阶段，鉴于其特点，展开有关研究工 作是有意义的，并能为变曲率光栅单色器的实际应用奠定基础。长程面形仪 ( l o n gt r a c ep r o f i l e r ) 是专门为同步辐射大型非球面镜的轮廓测量而建立的绝对 测试仪，l t p 的研制是实验室中请的教育部2 1 1 工程课题，作者参与了有关仪器 的建设工作。在此基础上，开展了基于长程面形仪的光栅刻线密度高精度测试系 统的研究工作，由于它能同时检测光栅的面形和刻线密度，是一种比较突出光栅 测试技术。作者的主要研究内容有以下几个方面： 一、变曲率光栅的成像特性研究 变曲率或压弯光栅单色器是最近兴起的一种新型单色器，它采用了改变光栅 曲率半径的方法，在光谱扫描过程中在满足聚焦条件的同时，保持出射狭缝不动， 具有鲜明的特点。这种面形可以控制的光栅是最近出现的，人们对它的成像特性 研究也尚为欠缺。 作者推导了任意面形压弯后光栅线密度的变化与弯曲面形之间的数学关系， 中国科学技术大学博士学位论文摘要 并给出了由此带来的成像性能变化。其后，提出了消像差压弯光栅单色器概念， 并进行了数值模拟计算。最后，对压弯光栅线密度进行了实验测试工作，实验结 果证实了变曲率或压弯光栅的线密度变化与理论预测相符，为相关系统的应用奠 定了基础。 二、长程面形仪光栅刻线密度测试系统的研究 2 0 0 4 年初，合肥国家同步辐射实验室( n s r l ) 和美国布克海文国家实验室 ( b n l ) 展开合作，作者参加了相关的建设工作，于2 0 0 5 年5 月建成了一台长 程面形轮廓测量仪。在此基础上，搭建了长程面形仪光栅线密度的测试装置，给 出了l t p 测试变间距( v l s ) 光栅和凹面光栅的一般表达式，并进行了较为系 统的误差分析。 当用于测试非平面光栅时，发现测试精度受光栅放置误差( 离轴误差) 的影 响比较大。不同于衍射法测试非平面光栅时，光栅面形与离轴误差互相耦合的现 象，l t p 测试法不会发生弯曲面形与离轴误差互相耦合的状况，妥善控制好离轴 量则可以显著提高测试精度。随后，建立了减小误差的控制方法，降低了非平面 光栅测试中离轴误差的影响，使得长程面形仪能胜任大曲率光栅的测试。其中测 试了个曲率半径为9 9 8 m m 凹面光栅，相对测试误差为4 o 1 0 r m s ，测试精度 达到国际相当水平。 关键词：压弯光栅；面形测试；长程面形仪；光栅线密度 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n i c a i1 n n o v a t i o nb e c o m e sv i g o r o u s l yf o r g i n ga h e a di nt h eb e a m l i n ew i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es y n c h r o t r o nr a d i a t i o n ( s r ) f a c i l i t ya n di t sa p p l i c a t i o n s m o n o c h r o m a t o r ，a c t i n ga st h ec o r ec o m p o n e n ti ns rb e a m l i n e ，m a i n l yc o n s i s t so ft h e e n t r a n c es l i t ，e x i ts l i t ，d i s p e r s i o nu n i ta n dr e f l e c t i o nm i r r o rw h e r e i n ，t h ed i s p e r s i o n u n i t ，d i f f r a c t i o ng r a t i n g s ，i st h ei m p o r t a n te l e m e n t ，w h i c hm o s t l yd e t e r m i n e st h e p e r f o r m a n c ei nm o n o c h r o m a t i z i n gs r s oi t i sn e c e s s a r ya n di m p e r a t i v et od e v e l o p t h et h e o r yo fs rm o n o c h r o m a t o rr e l a t e dm e t r o l o g yt e c h n o l o g yf o rd i f f r a c t i o n g r a t i n g s ， o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e v e l o p m e n to fs rp u t sg r e a t e rd e m a n d so ns u r f a c e q u a l i t y ，f i g u r ea n ds h a p ep a r a m e t e r s o ft h e o p t i c a l e l e m e n t su s e di nb e a m l i n e m e a n w h i l e ，t h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s eo p t i c a le l e m e n t sa r eg e n e r a l l yn a r r o w b u tl o n gs h a p e s t h e r e f o r e ，n o v e ls u r f a c em e a s u r e m e n tm e t h o da n dm e a s u r i n gs y s t e m s h o u l da c c o r d i n g l ye n h a n c et oc o p ew i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t si ns r t h i sa r t i c l el o c a t e st h er e s e a r c hc o n t e n ti ns rt e c h n o l o g y ，a n dp a y sa t t e n t i o nt o t h es rm o n o c h r o m a t o rt h e o r yr e l a t e dm e t r o l o g yt e c h n i q u e i nt h ec o n s t a n td e v i a t i o n a n g l es p h e r i c a lg r a t i n g ( d r a g o n ) m o n o c h r o m a t o r ，t h ee x i td i s t a n c eu s u a l l ym o v e s s e r i o u s l ya n dc h a n g e st h ev a l u eo fs ra tt h es a m p l ep o s i t i o nu n c e r t a i n l y m o r e r e c e n t l y ，t om i n i m i z et h ef a rm o v e m e n t so ft h ee x i td i s t a n c ed u r i n gs c a n n i n gp r o c e s s ， b e n d i n go fg r a t i n g si n t ow e a kc y l i n d r i c a lo rp o l y n o m i a ls u r f a c e sh a sb e e na n a l y z e do r d e s i g n e d w h e r e a si ti ss t i l lt h ep r i m a r yt i m et or e s e a r c ho nab e n d i n g g r a t i n g b a s e d m o n o c h r o m a t o r ，i ti sm e a n i n g f u la n ds i g n i f i c a n tt od e r i v et h ei m a g i n gp r o p e r t i e so fa b e n d i n gg r a t i n g ，f u r t h e r m o r ef o ri t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni ns rb e a m l i n et h el o n g t r a c ep r o f i l e r ( l t p ) i sau s e f u la n da b s o l u t eo p t i c a lm e t r o l o g yi n s t r u m e n tc a p a b l eo f m e a s u r i n gs u r f a c ep r o f i l eo fv e r yl o n gd i m e n s i o n ，e s p e c i a l l yf o rs ro p t i c a le l e m e n t s t h ed e v e l o p m e n to ft h el o n gt r a c ep r o f i l e ri ss u p p o r t e db yp r o j e c t211f r o mt h e m i n i s t r yo fs t a t ee d u c a t i o na n dt h ea u t h o rp a r t i c i p a t e ds o m er e l a t e dc o n s t r u c t i o n s a f f o r d i n gt od e t e c t i n gt h es l o p ee r r o ra n dg r o o v ed e n s i t yo fad i f f r a c t i o ng r a t i n g ，t h e l o n gt r a c ep r o f i l e rt a k e sa d v a n t a g ei no p t i c a lm e t r o l o g yf o rt h e s ek i n d so fo p t i c a l e l e m e n t s ，a sas e q u e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s hal t pm e t h o dt om e a s u r et h e g r o o v ed e n s i t yo fd i f f r a c t i o ng r a t i n g s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n td i v i d e st os e v e r a l a s p e c t sa sf o l l o w ： 1 r e s e a r c ho ni m a g i n gp r o p e r t i e so fb e n d i n gg r a t i n g b e n d i n g - g r a t i n g b a s e d m o n o c h r o m a t o ri sam o s t l yn o v e l c o n c e p t i ns r b e a m l i n e ，s u p e r i o r i t yi naf i x e de x i ts l i tw i t l la na d j u s t a b l ec u r v a t u r eo rc h a n g e a b l e s u r f a c ep r o f i l et os a t i s f yt h ef o c u s i n gc o n d i t i o nd u r i n gs c a n n i n g t h i sk i n do fg r a t i n g w h o s es u r f a c ec a nb ec o n t r o l l e da n db e n tt od e s i r a b l ef i g u r e s ，n a m e da sb e n d i n g g r a t i n g ，a p p e a r sl a t e l y t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho ni m a g i n gp r o p e r t i e so fb e n d i n gg r a t i n g s i i i 中国科学技术大学博士学位论文 i sc o m p a r a t i v e l yl a c kb u tv e r yi m p o r t a n t g e n e r a lf o r m u l a sc o n c e r n i n gt h et r a n s f o r m a t i o n so fg r o o v ef u n c t i o n g r o o v e d e n s i t y ，a n dg r o o v es p a c i n ga r ep r e s e n t e df o rt h eb e n d i n gg r a t i n gv i aa l la r b i t r a r y t a n g e n t i a lb e n d i n gp r o f i l eo nt h eg r a t i n gb l a n k a n dt h e nt h ev a r i e t yo fi m a g i n g p r o p e r t i e sa t t r i b u t e dt os t i r f a c ep r o f i l ea n dg r c o v ed e n s i t ya r ed e r i v e da n ds h o w n n u m e r i c a l l y a n a l y t i c r e s u l t sw i t han u m e r i c a l e x a m p l es h o w t h e s i g n i f i c a n t p r o p e r t i e so ft h eh i g h e r a b e r r a t i o nr e d u c t i o ns y s t e mw i t hab e n d i n gg r a t i n gf i n a l l y ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h et h e o r e t i c a lt r a n s f o r m a t i o n so fg r o o v ed e n s i t yd u e t oab e n d i n gp r o f i l eo nt h eg r a t i n gb l a n k 2 e s t a b l i s h m e n to f g r o o v ed e n s i t ym e a s u r i n gs y s t e m f o rd i f f r a c t i o n g r a t i n g sb a s e do nl o n gt r a c ep r o f i l e r a tt h eb e g i n n i n go f2 0 0 4 ，t h en a t i o n a ls y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl a b o r a t o r y f n s r l ) o fc h i n ai sd e v e l o p i n gav e r s a t i l el o n gt r a c ep r o f i l e rc o o p e r a t e dw i t ht h e o p t i c a lm e t r o l o g y1 a b o r a t o r i e sa tb r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r yf b n l 、，t h ea u t h o r a t t e n d e ds o m er e l a t e dc o n s t r u c t i o n sa n dt h el o n gt r a c ep r o f i l e rw a sf i n i s h e di nm a y 2 0 0 5 s e q u e n t i a l l y ，al o n gt r a c ep r o f i l e rm e t h o di sd e v e l o p e dt om e a s u r et h eg r o o v e d e n s i t yf o rd i f f r a c t i o ng r a t i n g s w h e nu s e dt od e t e r m i n et h ev a r i e d l i n e - s p a c i n g ( v l s ) a n dc o n c a v eg r a t i n g s ，g e n e r a le x p r e s s i o n sa n ds y s t e m i ce r r o ra n a l y s i so ft h el t p m e t h o da r eg i v e no u ts u b s e q u e n t l y ，i nw h i c ht h el o c a ls l o p ev a r i a t i o n sa r ep r o p e r l y c o r r e c t e df o rm e a s u r e m e n t so f c o n c a v eg r a t i n g s w h e nd e t e r m i n i n gt h eg r o o v es p a c i n go fan o n p l a n a rg r a t i n g i ti sf o u n dt h a tt h e g r a t i n gs e t u pe r r o r ss u c ha so f f - a x i se r r o r s ，e t c r e d u c et h em e a s u r i n ga c c u r a c yb a d l y i ti so b v i o u st h a tt h ec u r v a t u r ew i l lb ec o u p l e di n t ot h eo f f - a x i se r r o r si nt h e d i f f r a c t i o nm e t h o d s i n c et h eg r a t i n gi sm o v e da n dt h e nr o t a t e dw h i l et h el i g h tb e a m a n dc h a r g ec o u p l ed e t e c t o ra r ek e p ts t a t i o n a r y d i f f e r e n t l y ，i nt h el t pm e t h o d ，t h e r e i sn o ta d d i t i o n a l o f f - a x i se r r o r sc o u p l e db yc u r v a t u r es i n c et h el i g h tb e a mi st r a c e d a l o n gt h ec o n c a v es u r f a c e sw i t ho n l yo n c er o t a t i o no ft h eg r a t i n g ，a n dt h e s ee r r o r sa r e c o m p a r a t i v e l ys t a b l ea n ds h o u l db ec a u t i o u s l ym i n i m i z e di ns i t u t oe l i m i n a t et h e o f f - a x i se r r o r s ，w h i c ha r et h ee s s e n t i a le r r o rs o u r c e si nt h em e a s u r i n gs y s t e mb a s e do n r o t a t i n gm o u n t so fg r a t i n g s a ne r r o r r e d u c e dm e t h o di si n t r o d u c e ds oa st or e a l i z e p r e c i s em e a s u r e m e n to f c o n c a v eo rc o n v e x g r a t i n g s w i t hh i g hc u r v a t u r e s a c o m m e r c i a l l ya v a i l a b l e c o n c a v eg r a t i n gw i t hac u r v a t u r er a d i u so f9 9 8 m mi s m e a s u r e da n dt h er e l a t i v eg r o o v ed e n s i t ye r r o r6 n ni sa b o u t4 0 x 、0 一i t n s k e yw o r d s ：b e n d i n gg r a t i n g ，s l o p em e a s u r e m e n t ，l o n gt r a c ep r o f i l e r ( l t p ) ，g r o o v e d e n s i t y i v 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿着弧形轨道运动时所放出 的电磁辐射。这种辐射的可见光部分于1 9 4 7 年首先由纽约通用电器公司的工程 师在一台7 0 m e v 的同步加速器上发现的，由于它最初是在同步加速器上观察到 的，便被称为“同步辐射”。开始时，同步辐射并不受高能物理学家的欢迎，因 为它消耗了加速器的能量，阻碍了粒子能量的提高。但是，人们很快便了解到同 步辐射具有从远红外到x 光范围内的连续光谱、高强度、高准直性、高度极化、 优良的脉冲时间结构、高偏振、高纯净、光谱特性可精确计算等优越特性，可以 用来开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。于是在几乎所有的高能电 子加速器上，都建造了“寄生运行”的同步辐射光束线及各种应用同步辐射光的 实验装置。 同步辐射应用的领域之广泛，所涉及的学科之众多，是其它大科学装置无法 比拟的。它的应用不仅遍及于物理、化学、生物等基础学科，而且还活跃在材料 科学、表面科学、辐射计量学、医学、生命科学、环境科学、地质科学、超微细 加工、超大规模集成电路光刻等技术研究领域m2 1 。 至今，同步辐射光源也从第一代发展到了如今的第三代。早期的同步辐射是 在高能物理的加速器上寄生运行的，一般存在专用光时间短和运行束流低等问 题，这是第一代光源。进入二十世纪七十年代后，由于需求的急剧增加，建立了 专用于同步辐射光源的电子储存环，即第二代同步辐射光源，它是从光束线上弯 铁处引出的同步辐射光。为了获得更高的亮度和更短的可用波长，在二十世纪八 十年代建成了以插入件( 波荡器u n d u l a t o r 和扭摆器或波长位移器w i g g l e r ) 为主 的更低发射度的第三代同步辐射光源。第三代同步光源的亮度比第二代光源至少 高1 0 0 倍! 它使得同步辐射应用领域扩展，这就为众多的学科和技术应用领域带 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 来了前所未有的新机遇。目前，亮度更高的光源，例如自由电子激光( f e l ) 正 在研发阶段，并正在筹建相关实验装置。 而在国内，目前已分别建有第一代( 北京同步辐射装置一b s r f ) 和第二代同 步辐射光源( 合肥国家同步辐射实验室一n s r l ) 。上海光源( s s r f ) 是一台正 在建造的高性能第三代同步辐射光源，将是国内最大的科学装置和大科学平台， 工程总投资预计为1 2 亿元，是十五期间的国家重大科学工程，己于2 0 0 4 年底破 土动工。上海光源的x 射线能量仅次于世界上仅有的三台高能光源( 美、目、 欧洲各有一台) ，是世界上同能区中正在建造或设计中，性能指标先进的第三代 同步辐射光源之一。 目前，同步辐射的应用正处于蓬勃发展的新阶段，为适应同步辐射应用的新 要求，对同步辐射实验装置和同步辐射核心技术的要求也越来越高。为此，改善 同步辐射装置的性能，建造新型的同步光源，发展同步辐射光束线技术等是很重 要的工作。 1 2 课题的研究背景及意义 光束线将同步光从磁铁中引导出来，凭借内部精密的光学元件将同步光聚焦 并选取合适波段的同步辐射光送入实验站，供实验站作为激发光源和研究的物质 对象相互作用，探测其发生的现象，从而得到所研究物质的性质，是连接同步辐 射储存环和各用户实验装置的关键仪器。根据实验站对光源要求，光束线对同步 辐射要具有几个功能，如聚焦、准直、分光、偏振度改变、高次谐波过滤等。涉 及的主要部件有狭缝、聚焦镜、单色仪( 光栅或晶体) 和反射镜等。光束线需要 把同步辐射光源的亮度高效率地传输到实验样品上，以便在样品处能得到高的光 子通量，使实验站能进行高信噪比和高分辨率的实验。 1 2 1 光学元件质量与检测技术 光束线一般包括前置镜光学系统、单色器和后置镜光学系统。为了保证短波 段的同步辐射光有高的传输效率，光束线一般工作于掠入射状态，即采用很大的 入射角，以便获得较高的反射率。这就使得光学元件的尺寸增加，产生的像差也 相应比较大。同时对光学元件的表面质量和面形精度的要求也非常之高。正是由 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 于对同步辐射用光学元件高精度要求，即使是对世界上最好的光学元件加工厂 家，也是难度不小，使得光学元件质量检测变得非常重要。 发展了近2 0 年的长程面形轮廓测量仪在同步辐射光学镜测试中具有鲜明特 点：精度高、扫描范围大，是专门为此建造的一种绝对测量仪器口。j 。n s r l 与 美国b n l ( b r o o k h a v e n n a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 展开合作，在国内研发世界上最新 的长程面形仪( l o n gt r a c ep r o f i l e r ) 。通过合作，使用较少的经费，建立性能优 良的长程面形仪，为实验室光束线稳定运行、故障诊断等工作提供支持。另一方 面，也希望借这个合作机会，提升国内与此相关的光学测试技术。 1 2 2 光栅单色器现状及发展方向 单色器是光束线的心脏部分，它是一种用来把混合光源分解为单色光并能随 意改变波长的装置。在软x 射线、真空紫外波段，一般采用光栅单色器：而在 硬x 射线波段，则用晶体单色器。它主要由入射狭缝，出射狭缝，色散元件和 反射镜等部分组成，其中色散元件是关键部件。 在软x 射线波段使用掠入射单色器，主流光栅单色器有平面光栅单色器和球 面光栅单色器。各种单色器因为满足聚焦的方式不一样，同时又必须保持入射和 出射光束方向不变，使得它们结构上各具特色。 一块平面光栅可覆盖较宽的光谱范围( 从真空紫外到软x 光) ，有较好的高次 谐波抑制能力、高分辨率和光通量，主要有s x 7 0 0 单色器0 1 和变线距光栅单色 器 1 1 - 4 两类。s x 7 0 0 单色器在平面光栅前置一绕轴外点转动的平面镜，用以控制 光束在光栅上的偏角，使光栅像位置与波长无关，在光栅后置一椭球镜将光束聚 焦于出缝，分辨率主要受椭球镜面形精度影响，仪器比较复杂昂贵。利用变线距 光栅具有自聚焦的能力，变线距光栅单色器不需要s x 7 0 0 的椭球镜，减少了因 反射造成的通量损失，结构较为简单并提高了单色器的光通量，主要分为h a r a d a 型聚焦( 用平面镜改变包含角) 和h e t t r i c k 型聚焦( 用球面镜，可在两个波长处 消离焦像差) 两种形式。 d r a g o n 球面光栅单色器( s p h e r i c a lg r a t i n gm o n o c h r o m a t o r ，s g m ) 1 5 - 1 7 方案 简单，固定包含角，通过旋转光栅扫描光谱，同时移动出射狭缝以满足聚焦条件， 缺点是光栅覆盖光谱范围较窄，高次谐波抑制性能较差，移动出射狭缝会造成样 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 品处光斑尺寸变化等。变包含角球面光栅单色器( v a r i a b l ea n g l es p h e r i c a lg r a t i n g m o n o c h r o m a t o r ，v a s g m ) 1 8 - 2 0 l ，通过旋转一个附加的平面镜改变球面光栅的包 含角来满足聚焦条件，出射狭缝固定，对d r a g o n 单色器的光谱调谐范围较窄， 高级次抑制能力较差的情况改善不大。d r a g o n 和变包含角球面光栅单色器在满 足消离焦条件的同时，还可以在一个波长处消除彗差，因此能取得比较好的光谱 分辨率。 在平面光栅前放置一块或几块转动的球面镜，在不同波段实现变包含角和聚 焦作用，波长扫描机制类似于变包含角球面光栅单色器，因此该简单平面光栅单 色器 2 1 - 2 3 避免了一般平面光栅单色器中常使用的复杂非球面元件，能取得较高分 辨率、宽光谱范围和高次谐波抑制能力。在球面光栅前放置平面或球面镜，移动 并转动光栅使其近似满足罗兰圆条件，近似罗兰圆单色器f 2 4 ，2 5 j 方案的提出避免 了一般罗兰圆单色器复杂的波长扫描运动，仪器的性能较为理想。 近来，出于改善d r a g o n 球面光栅单色器扫描需要移动出射狭缝较长，引起 样品处光斑尺寸、位置、亮度变化等缺点，人们提出了变曲率光栅单色器2 7 1 的概念。不同于变包含角球面光栅单色器改变包含角的特点，它采用了改变光栅 曲率半径的方法，光谱扫描过程中在满足聚焦条件的同时，保持出射狭缝不动。 目前，该类单色器还处于研发阶段，鉴于其特点，展开有关研究工作是有意义的， 并能为变曲率光栅单色器的实际应用奠定基础。 1 2 3 衍射光栅测试技术 单色器中的核心部件为起分光作用的色散元件一光栅或晶体。光栅作为色散 元件具有许多独特的优点。例如，它可用的波长范围较宽，从几纳米到几千纳米， 由于光栅的加工和复制技术不断改进、质量有所改善、成本也有所下降，因此光 栅的应用已日益广泛。 于是，深入开展对其核心元件- 光栅的测试研究，也是很有意义的。光栅刻 线密度是光栅最重要的特征参数，探索光栅刻线密度的高精度检测技术对于开展 光栅光谱仪的应用具有重要意义。光栅的成像特性基本上是由光栅的面形函数和 刻线密度函数决定的，所以测试中最重要不外乎的是对光栅面形和刻线密度两方 面进行高精度测试。迄今，已经发展了多种光栅刻线密度测试方法 2 8 。1 1 ，概括来 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 说有仪器直接观察法，相对测量的干涉法和绝对测量的衍射法。各类测试方法都 具有自己的特点，尤其随着变间距光栅和非平面光栅的普及应用，迄今还没有特 别有优势的方法适用于这类光栅的高精度测试。而在国内，这些测试技术己经有 了一定的基础，特别是针对变间距光栅和凹面光栅的测试方面己经建立了衍射法 测量系统，这也为发展更高精度光栅线密度测试方法奠定了基础。 1 3 作者的工作和内容安排 同步辐射光单色化程度的好与坏取决于单色器的质量，而评价单色器最重要 的指标无疑为它的分辨率，为此如何提升单色器的分辨率等性能指标已日益成为 研究者竭力希望征服的难题? 单色器中的色散元件( 衍射光栅) 是关键器件，实 现对光栅面形和刻线密度的高精度测试是非常重要的。另一方面，为获得同步光 的高光子通量，对光束线上使用的光学镜表面质量等参数的要求也越发的严格。 因此，开展新型单色器的理论研究、发展同步辐射光学测试技术等必将会成为同 步辐射光学领域的重要内容。 1 3 1 论文的主要工作任务 作者致力于光栅单色仪方面的研究，在实际工作中关注于光栅单色器的核心 元件衍射光栅的研究。对衍射光栅的一般理论和相关光栅测试技术进行了研究， 并参与了长程面形仪研制的部分工作，在上述领域取得了一定的成果阢”】。 论文的思路是首先对变曲率光栅单色器或压弯光栅单色器进行理论分析，而 对光栅成像特性的深刻理解正是这类单色器的关键技术，因此对变曲率光栅或压 弯光栅的成像特性进行了理论研究，并推导了该类光栅线密度随面形弯曲的变化 关系，以及由此带来的成像性能变化。 在理论分析的基础上，采用实验的办法验证光栅线密度随面形变化的关系。 为此设计了简单的压弯机构，将设计制作好的光栅压弯，并进行光栅面形和刻线 密度的测试工作。 长程面形仪的研制是实验室申请的教育部2 1 l 工程课题，l t p 是测量大尺寸 光学元件面形精度的专门仪器，世界上绝大多数同步辐射实验室都建立了有关测 量系统，以便对同步辐射光学元件进行高精度的测量，检验评价其性能指标。 中国科学拉术大学博士学位论文 第一章绪论 n s r l 建立了自己的长程面形仪。作者参与了有关仪器的建设工作。 对变曲率光栅或光束线上常使用的一般光栅的测试工作中，最重要的是对它 们的面形和刻线密度进行测量，所以探索一种能对以上两方面同时进行检测的测 试方法对研究者来说是非常有吸引力的。长程面形仪可以高精度测试光栅的面形 参数，此外，将l t p 小角度的测量原理转换到探测光栅衍射角上来，则可以间 接用来测试光栅线密度。因此在此基础上，作者开展了基于长程面形仪的光栅刻 线密度的高精度测试系统的研究工作。 1 3 2 各章节内容安排 本论文结构组织如下： 第一章绪论 介绍了课题的研究背景及意义，对论文的研究任务做了详细的描述，并扼要 的概括了衍射光栅发展史及相关成像理论。 第二章变曲率光栅的理论研究 注意到目前在变曲率光栅单色器的理论研究还处于早期，作者在p l a m e r 和 c t c h e n 等人研究的基础上，严格推导了光栅曲率变化或者面形变化后，光栅 刻线密度的变化般关系式。 第三章变曲率光栅的实验研究 该章是为了验证上一章的理论推导而展开的实验工作，具体内容为使用压弯 装置，将光栅压弯，利用长程面形仪测试其面形，采用衍射法测试弯曲前后的光 栅线密度。通过比较弯曲前后光栅线密度变化与弯曲面形的关系，证实了变曲率 或压弯光栅的线密度变化与理论预测相符，为相关系统的应用奠定了基础。 第四章长程面形仪及其在光栅刻线密度测试中的应用研究 本章内容主要分为两个部分，两部分承前启后，相互关联，且均是同步辐射 光束线上极为重要的光学检测技术。 在第一个部分中，首先对非球面轮廓测量方法尤其是对传统的长程面形仪进 行了较为系统的概述。接下来介绍了n s r l 长程面形仪的方案设计，并进行了较 为系统的性能评价，内容包括精度标定、重复性测试、稳定性测试和模拟样品测 试等。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 在第二个部分中，首先概述了现有的光栅线密度测试技术，比较了各自的优 缺点。紧接着建立了基于长程面形仪光栅线密度测试系统，并对l t p 测试法进 行了系统的误差分析。建立了减小误差的控制方法，降低了非平面光栅测试中离 轴误差的影响，使得l t p 测试大曲率光栅成为可能。最后测试了几种经典的光 栅，其中测试了一个曲率半径为9 9 8 m m 的球面光栅，取得了同期与国际同行相 当的测试精度。 第五章论文的工作总结与展望 主要创新工作和课题展望。 1 4 衍射光栅的像差理论 1 4 1 衍射光栅的发展简史 1 7 9 5 年，美国天文学家d r i t t e n h o u s e ( 1 7 3 2 1 7 9 6 ) 通过在两根钟表匠制作的 细牙螺丝之间平行绕上头发丝，首次观察到了具有衍射现象的成像光斑，被认为 是世界上第一个最原始的透射光栅。 德国物理学家j v f r a u n h o f e r ( 1 7 8 7 1 8 2 6 ) 第一个定量研究了衍射光栅，制成 2 6 0 条平行线组成的光栅，用它测试了光的波长。18 2 3 年他又用金刚石刀刻制了 玻璃光栅，给出了经典的光栅方程，是现代光栅理论的奠基人。 1 8 7 4 年，美国物理学家ha r o w l a n d ( 1 8 4 8 1 9 0 1 ) 于约翰斯- 霍普金斯大学任 物理学教授。1 8 8 2 年他开始研制衍射光栅，制成高精度螺杆驱动式光栅刻线机， 能在一块2 5 平方英寸的金属板上刻出每英寸4 3 0 0 0 条线的光栅。此外，他还建 立了一套凹面光栅理论，在多种应用上代替棱镜和平面光栅，革新了光谱分析， 被称为现代衍射光栅之父。为光谱测定和分析提供了精密的仪器，推动了光谱学 的发展。他制成的太阳光谱波长表包括上万条太阳谱线，成为太阳光谱研究的标 准参考文献。ja a n d e r s o n ，r w w o o d ，j s 仃o n g 3 4 】继续 la r o w l a n d 的工作 并取得诸多成果。r w w o o d 通过改进光栅槽型，发明了“闪耀技术”，大大 提高了光栅的衍射效率。 随后，光栅刻划机采用干涉伺服系统提高了刻划精度，扩大了刻划面积等。 1 9 4 0 年开始了光栅复制方法的工艺研究，1 9 4 9 年开始采用镀铝母光栅，以真空 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 蒸发复制光栅。 随着2 0 世纪6 0 年代激光技术的发展，出现了使用记录激光干涉条纹制作光 栅的技术，即“全息技术”，这种方式制作的光栅避免了机械刻划时产生的随机 和周期性误差。英国的jmb u r c h 和d a p a l m e r ”】发展了利用照相干板记录干 涉条纹制作光栅技术。1 9 6 7 年，德国的dr u d o l p h 等3 6 】和法国的al a b e y r i e 等 j 首次使用氩离子激光器和光刻胶制作出全息光栅。 1 4 2 衍射光栅像差理论概述 对凹面光栅成像理论的研究最初开始于har o w l a n d 【3 8 ，其后rt g l a z e b r o o k 圳，e m a s c a r t 4 0 1 ，wb a i l y 4 ”，m p e t e r s e n 【4 2 ，j e m a r k 43 1 ，c r u n g e 4 4 1 ，d lm a c a d a m 45 1 ，g hd i e k e 46 1 ，i s b o 、v e n ，r o a n d e r s o n 4 引。 j bg r e e n ”1 ，s mi b r e s c h l 5 0 1 等都对此进行了不同程度的研究。基于f e r m a t 原理，hg b u t l e r p l j 给出了第一个比较完整的凹面光栅成像理论，经t n 锄i o k a 5 2 5 4 1 ，h n o d a 5 5 】等进一步发展，形成了一套比较完善的光程函数理论。 mv r k m u r t y 5 6 4 8 1 讨论了平面光栅以及变间距圆条纹凹面光栅成像特 性。jt h a l l 59 1 ，m n e v i e r e i 6 0 】讨论了平面光栅的聚焦性能。j m s i m o n 和m a g i l 6 1 , 6 2 1 计算了准平面波经平面光栅后对衍射波前的影响。n cd a s 6 3 】讨论了平 面全息光栅在c z e r n y t u r n e r 光谱仪中的应用。h n o d a 6 4 ，6 5 1 比较了全息光栅和机 械刻划光栅两者的成像性能，并建立了全息光栅的一般成像理论。d d r a v i n s 【6 6 1 和c p