不同于国际上其他空间项目采用光栅切换的光谱获取方式，中国空间巡天望远镜采用近焦面拼接光栅的方式获取大视场、宽波段无缝光谱，波长覆盖范围为250～1000 nm，光谱分辨率R≥200。国内紫外透射衍射光栅的天文应用尚在起步阶段，制作难度高，且不能从国外获得。经过多年努力，光栅性能在近期获得了较大提升。本文针对紫外光栅的科学应用性能和使用条件，分析了衍射光栅制作参数的优化，给出了衍射效率随入射角、入射光偏振态以及光栅槽形结构参数的变化规律。相关数据对在轨流量定标具有借鉴价值。通过选用不同的光栅结构参数对衍射效率特性进行分析，发现了紫外光栅峰值波长与顶角投影在每个周期上的比值之间的近似线性表达关系。本文讨论了满足科学需求的参数许可域，并将其用于控制光栅制作参数。多次试验后，光栅槽形结构参数和形状得到了精确控制，获得了性能优异的衍射光栅。制作的光栅线密度为333 line/mm，闪耀角为12.51°，峰值效率波长控制在315 nm，紫外波段实测峰值衍射效率为72.3%，平均效率为65.1%。该光栅的槽形、波前质量等均控制在较高水平，衍射波前质量均方根(RMS)达到0.06λ，峰谷值(PV值)达到了0.33λ。采用该光栅可获得良好的成像质量。

提出一种基于波导理论的针孔点衍射波前分析方法。该方法将针孔作为圆形波导,采用解析法求解波导的模式进而得到针孔后端面电场分布;根据矢量衍射理论推导出衍射波前的远场分布,最后详细分析了针孔透光率、衍射波前的强度与相位。结果表明,波导边界条件使针孔后端面各电场分量旋转不对称,使像散成为衍射波前的主要像差。为使透光率大于0,针孔直径必须大于0.6λ(λ为波长),以保证针孔中存在满足波导传输条件的模式。衍射波前两电场分量振幅分布的不同使衍射波前强度分布不具有旋转对称性,两者的相位差使衍射波前成为椭圆偏振光。该仿真结果为点衍射干涉仪中针孔结构的设计提供了重要的参考。

基于多块光栅拼接理论,建立了光栅旋转角与衍射光束偏角关系的数学模型,设计了一种基于干涉法的光栅旋转角度检测光路,用Zygo干涉仪实现了光栅0级与1级衍射波前检测,并研究了反射镜安装误差引起的模型误差。实验结果表明,利用理论模型对光栅姿态在0~500 μrad内调整时,光栅间栅线平行度的最大相对测量误差为3.85%。而反射镜俯仰角和偏摆角在0″~20″变化时,所引起的光栅间栅线平行度的最大相对测量误差分别为4.99%和3.77%。

为了最大程度减少误差环节，点衍射球面波前精度的干涉测量中通常采用无镜头测量方式。点衍射干涉波前在大数值孔径与大横向偏移量情况下存在的结构误差将严重影响测量精度，且无法利用传统方法加以校正。针对该问题，提出了一种基于三坐标重构以及对称偏移补偿的点衍射干涉波前测量中结构误差的高精度校正方法，以实现对大数值孔径及大横向偏移点衍射球面波前无镜头成像测量中的结构误差校正。该方法首先采用三坐标重构方法对系统误差进行预校正，再针对干涉中点源横向偏移引入误差存在的对称性，采用对称横向偏移补偿对由三坐标重构误差而引入的残余结构误差进一步校正。分别进行了数值仿真和测量实验对所提出方法的可行性进行了验证。结果表明，该方法达到了λ/10000的校正精度，对于点衍射球面波前高精度测量标定以及非镜头成像干涉检测中结构误差的高精度校正具有重要的应用意义。

光栅拼接法是目前制作大尺寸平面衍射光栅的重要方法之一，而拼接误差是评价拼接光栅是否能够使用的重要指标之一。实时定量测量拼接误差，能够实现对拼接误差的自动闭环调整，通过实时指导拼接提高光栅拼接的精度。建立了衍射波前与光栅拼接误差关系的数学模型，分析了干涉仪测量光栅拼接误差的原理，用ZYGO干涉仪实现拼接光栅0级及-1级衍射波前的数字化定量提取，分析并计算了拼接误差波前，得到五维拼接误差的数值解。利用拼接光栅-2级的衍射波前验证五维拼接误差结果的准确性，实验结果表明由0级、-1级、-2级拼接波前计算的拼接误差具有较好的一致性，为利用波前检测光栅拼接误差并实现自动化闭环调整提供了理论指导。

为了研究点衍射干涉仪中针孔的横向离焦与轴向离焦对衍射光的强度与衍射参考波面误差的影响，基于菲涅耳衍射理论，建立了会聚光束经针孔衍射的数学模型，提出了将针孔衍射光的强度与衍射波面误差相结合以分析针孔衍射波前的方法，并综合考虑了会聚光束F 数、针孔直径等参数的影响。研究表明：会聚光束F 数越大，衍射光强度与波面误差越小；横向离焦的距离应小于艾里斑半径与针孔半径之差；横向离焦的允许范围与波长和F 数成正相关，与针孔直径成负相关；当光束F=10 时，在0~35 mm 横向离焦范围内，直径1 mm 以内的针孔可以全程满足波面误差峰谷(PV)值优于0.1λ 的要求；可以通过调整轴向离焦来调整参考光的强度，并且针孔直径越小调整越灵敏；选择直径小于艾里斑半径的针孔可以保证衍射波前误差PV 值优于10-2 λ ，测试光的强度控制在针孔有效衍射光强的1/10附近。仿真结果为设计点衍射干涉仪和分析其精度提供了理论和数据参考。

考虑机械刻划光栅刻线摆角对平面光栅衍射波前质量的影响，本文根据光栅机械刻划过程的特点，提出了一种单压电执行器调节方法。该方法可通过不断调节微定位工作台位移，实时修正工作台摆角导致的光栅刻线摆角误差。首先，推导出了微定位工作台位移实时修正公式。接着，采用三路干涉仪实现了微定位工作台摆角测量及其主要成分分析。最后，进行了光栅刻线摆角放大和校正实验。结果显示，摆角放大和摆角校正实验已基本达到了预期的效果，对光栅宽度为10.4 mm且刻线密度为600 line/mm的光栅进行修正后,光栅刻线摆角比校正前降低了64%以上。这些结果表明：采用单压电执行器方法对光栅刻线摆角进行实时修正可有效降低光栅刻线摆角，提高光栅质量；该方法可应用于大面积机械刻划光栅刻线摆角的修正。

点衍射干涉仪中小孔对准误差是影响衍射参考波面质量最主要的误差源。基于瑞利索末菲矢量衍射理论，建立了非傍轴高斯光束经小孔衍射的严格数学描述，对不同对准误差下的小孔衍射波面误差进行了分析，在分析中特别考虑了会聚光斑大小的影响。研究表明：小孔对准误差的引入使得衍射波面偏差迅速增大，且衍射波面偏差随对准误差的增大呈线性增长；相同对准误差下，衍射波面偏差随会聚光斑半径的增大而减小，要获得同等衍射波面偏差，允许的对准误差随会聚光斑的增大呈近同倍数增长。给出了0.5~3 μm小孔在不同会聚光斑直径和小孔对准误差下的衍射波面误差分布数据，研究结果可为点衍射干涉仪中会聚透镜的选取、小孔对准精度要求的确定以及小孔衍射波面误差的估计提供重要参考数据。

以往检测衍射光栅波前时，需自行搭建检测光路，且搭建过程中由于元件较多，造成系统精度难以保证，得到的测量结果不够理想。针对这些问题，本文提出基于 GPITMXP/DX型 ZYGO干涉仪搭建检测光路，并对平面衍射光栅及凹面衍射光栅的衍射波前进行了检测，得到参考光与衍射光的干涉条纹及相关信息，拓展了 ZYGO干涉仪的用途。利用传统的干涉检测法，检测时，干涉仪与标准透镜及反射镜配合使用，标准镜精度接近 λ/40，干涉腔精度为 λ/20。检测得到平面光栅一级衍射光与参考光的干涉条纹及光栅的衍射波前，分析比较了两种检测凹面光栅的方法。与以往检测光栅波前装置相比，本文提出的测量装置精度高、安装简单，不需要搭建专门的波前检测装置，便于重复测量，得到的结果可靠性高。

光栅刻线误差与基底面型误差影响平面光栅衍射波前、分辨本领、鬼线、卫线及杂散光等光谱性能，研究光栅性能指标与光栅刻线误差及基底加工误差之间的因果关系，对提高光栅质量极为重要。根据光栅衍射中产生的源于刻线误差与面型误差的光程差，推导出了在光栅锥面衍射情况下的光栅刻线误差、基底面型误差、入射角θ、衍射级次m与衍射波前关系的数学表达式，得到构建非理想光栅衍射波前的理论模型。以理论模型为依据，采用干涉仪测量光栅对称级次衍射波前，实现在测量结果中对光栅刻线误差与基底面型误差的分离，并基于二维快速傅里叶变换分析光栅衍射波前，考察了刻线误差与面型误差对光栅性能指标的影响。借助此方法通过重构的光栅衍射波前，分析光栅分辨本领、鬼线等光谱性能，还可以反演光栅全表面刻线误差与面型误差的大小，为光栅基底加工、光栅制造和使用技术提供理论依据。