平面变线密度光栅的制作和波前检测

　　1　引　言

　　普通单色仪中采用镜面准直入射光和汇聚出射光,光线经过多个光学元件,影响到出射光的强度,增加了杂散光,使仪器的性能下降,并且制造、加工和调试复杂。对于短波段而言,这些问题尤为严重。利用凹面光栅的聚焦能力可以节省光学元件,目前凹面越来越复杂,制造出了椭球面、柱面、超环面光栅[1],发展了Ⅰ~Ⅴ代光栅。由于凹面的加工和检测比较困难,凹面的精度限制了光栅的性能,而平面基底的加工和检测技术比较成熟,平面变线密度光栅也具有聚焦和消像差能力,能够替代凹面光栅。

　　20世纪后期,消像差光栅的理论得到了发展[2~6],平面变密度消像差光栅被用在太空观测、同步辐射光束线和惯性约束核聚变研究中[7~15]。然而平面变线密度光栅的制造技术一直没有很好地解决,只能少量的生产,不仅价格昂贵,而且难以保证加工质量且不能及时交货。本文研究了平面变线密度全息光栅的制造技术,采用在线波前检测技术,探讨了光路的选择方案,制作出了原形光栅,以期为我国几项大科学工程提供配套的元件。在线波前检测技术也可以用在其他全息元件的研制中。

　　2　制作光路

　　2.1　两代光路

　　图1中光栅表面在yz平面内,z轴和过原点的光栅刻槽相切,平面变密度光栅的密度一般用级数形式表示[10]

　　每一项的系数nij和一种像差有关[3]。很多场合下光栅的理论密度和z轴无关,(1)式中和z有关的项都消失了,nij简写成ni。忽略高阶像差的影响,一般场合下只用到n0,n1,n2。通过选择适当的相干波前,就能准确地摄制出光栅。

　　具有消像差能力的全息光栅的摄制光路已经发展到第二代[4](如图2)。目前主要的设计方法是求解光程函数级数展开式,直接得出光栅的密度(像差)和光路参量的解析关系,然后用射线追迹程序模拟。

　　第一代光路中使用两个相干点源曝光,两个点光源都在xy平面内,共有四个位置坐标,一般情况下光源的波长是不变的,光路中只有四个可选择的变量。根据位置和光栅的系数ni(或像差)的关系可以求解出很多组点源的位置,根据具体的情况选择一组位置,限于篇幅本文不给出具体的关系式。该光栅的刻槽是弯曲的,光栅的密度和z坐标有关。如果点源离基底足够远,这种弯曲一般可以忽略。也可以计算出光栅表面各点的密度,用严格的射线追迹程序估算对成像的影响[3]。

　　有些场合下,点源的位置无解,这时候要用到第二代光路。在第一代光路中增加椭球面反射镜或凹面光栅,光线经过反射(或衍射)后在基底表面相干。T. Namioka等[4]给出了椭球面反射后光栅的密度系数和各位置变量的关系。椭球面的顶点在xy平面中,从点源发出的光线被椭球面的顶点反射后到达基底的中心。由于椭球面加工复杂,大多数情况下用球面。