介绍了一种掠入射式多包含角平面光栅单色器的设计原理, 从理论上对其可行性进行了分析和验证。该单色器系统对SX-700型单色器进行了改进, 通过简单地升降多角平面反射镜即可对覆盖某个波长范围的包含角进行改变, 选择所需的单色光波长。通过光学仿真软件X-LAB模拟了光束入射到多角平面反射镜的单个角度的反射面时, 单色器对软X射线波段1~2.48 nm的单色化效果, 从理论上验证了本设计能够实现宽能谱扫描及高次谐波的抑制, 并且该单色器结构简单, 易于在实际应用中得以推广。

变包含角平面光栅单色器具有分辨率高和光通量高等优点，被广泛应用于各科研领域，并且随着相关领域研究的不断深入，迫切需要提高其光谱分辨率，以满足使用需求。为研究探索极高分辨率变包含角平面光栅单色器，结合上海同步辐射光源光束线，重点研究影响单色器分辨率的关键因素;对单色器光学元件表面热负载进行分析，设计冷却系统，降低热负载产生的影响;研究变包含角平面光栅单色器转角精度等检测方法。结果表明，根据推导出的变包含角平面光栅单色器光学放大倍数与单色器分辨率的关系式，达到优选极高分辨率工作模式的目的;加入冷却系统后，单色器前置平面镜因受热负载影响而产生的最大斜率误差由81 μrad降到31 μrad;设计可应用于变包含角光栅单色器分辨率达5×104的转角精度检测方法，检测精度可达0026″。该研究将为第三代同步辐射光源中建造极高分辨变包含角单色器提供帮助。

针对反射式成像光谱系统普遍存在多次反射(和衍射)产生杂散光和装调难度大等问题,设计了一种高性能透射式系统,全部使用通用光学组件,简化了系统结构,降低了成本和装调难度,较传统成像光谱仪有更广的适用范围.该设计中全部部件都非定制,可以根据应用场合更换,具有较好的灵活性,采用透射的方式,减少了杂散光的影响.利用ZEMAX软件仿真、优化了搭配两组不同物镜的系统光路,对畸变、MTF、色差等性能进行测试.对比25和50 mm物镜的系统性能,发现望远镜头的更换对整个系统成像质量的影响不大.参照设计参数成功搭建出一台成像光谱仪,其中望远物镜采用准对称双高斯结构,有利于控制场曲和畸变;采用透射式平面衍射光栅作为分光器件,制作工艺成熟,无需定制,装调简单.光谱分辨率和畸变测试结果显示该系统拥有良好的畸变控制能力,光谱分辨率达到2 nm,满足设计要求,利用标定后的系统测得的氘灯光谱取得了较为理想的结果。

高光谱成像具有精细的光谱分辨能力, 在热红外谱段实施高光谱成像对目标探测与识别有显著效果.与国外相比, 我国在该领域的研究还相对薄弱, 应用部门的研究主要基于国外数据, 国内尚未有成熟的仪器.对国内外研究现状进行了详细调研, 并结合目前国内已经布局的研究项目对该领域未来的发展进行了展望, 对我国发展高性能空间红外光谱成像技术具有一定意义.

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求, 提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论, 推导出了像散校正条件, 利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例, 设计了一个相对孔径为1/2.5, 波段为350～1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数, 然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计, 并对设计结果进行分析。结果表明, 在整个工作波段(350～1 000 nm)内, 点列图半径均方根值小于8.2 μm, 实现了大相对孔径宽波段像散同时校正, 在宽波段内同时获得了良好的成像质量, 满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。

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。

杂散光是平面光栅的重要性能指标, 光栅杂散光的测量一直是光栅研制领域的难题。 为实现仪器自身杂光低于10-8量级, 以满足对平面光栅杂散光10-7量级的精确测量要求, 基于标量衍射理论和经典Fresnel-Kirchhoff衍射理论, 对光谱仪器中的光栅杂散光进行了理论分析, 设计了平行光照射条件下光栅杂散光测试仪的光机模型。 利用杂散光分析软件ASAP建立紫外单色光入射下光栅杂散光测试仪的散射模型并对其进行仿真计算, 分析仪器杂光的主要来源及散射路径, 据此提出了用于降低仪器散射光和光栅多次衍射光的挡光环、 叶片、 光阑、 光学陷阱等四种杂光抑制结构。 最后, 采用ASAP软件对增加抑制结构前后的仪器杂光相对强度进行了对照分析。 仿真及分析结果表明, 仪器杂光在测试波长±100 nm范围内的最大值由采用杂光抑制结构前的10-6量级以上降低至10-8量级以下, 已满足光栅杂散光测试仪的设计需求, 即可实现刻线密度为300～3 600 gr·mm-1的光栅杂散光10-7量级精确测量。 该研究方法及结果将为平面光栅杂散光测试仪研制提供理论依据。

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像, 有效消除平面光栅产生的谱线弯曲, 设计了离轴透镜消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱仪。分别计算了平面光栅和离轴透镜产生的谱线弯曲, 分析了谱线弯曲随相关参量的变化关系, 并基于此设计了消谱线弯曲的初始结构。通过优化设计得到的光学系统的通光孔径为100 mm, F数为2, 光谱分辨率为20 nm, 空间分辨率为150 μrad, 冷光阑效率为100%, 成像质量接近衍射极限, 系统谱线弯曲由原有的180 μm以上变为14.3 μm以内。该项设计获得了具有普适性的消谱线弯曲公式, 证明了离轴透镜具备校正谱线弯曲的特殊功能。最后的设计结果表明, 在满足系统成像质量要求且不增加系统复杂度的前提下, 采用离轴透镜的平面光栅光谱仪的系统谱线弯曲小于探测器像元尺寸的1/2, 满足使用要求。

针对变包含角平面光栅单色器前置平面镜(PM)受热负载而导致的单色器分辨率降低问题，提出优化聚焦常数(Cff)补偿分辨率的方法。首先，计算不同Cff值时PM的热功率吸收谱，在此基础上对镜面热负载进行热-结构耦合分析，得到不同热负载时PM表面热变形的变化量; 然后，结合理想分辨率公式和光线追迹软件求出加热负载的单色器分辨率; 最后，优化Cff实现分辨率的补偿。研究结果表明，以软X射线谱学显微光束线站为例，当出射光能量为1 000 eV时，将Cff由18优化至184，单色器分辨率即可与无热负载时的相同，该优化方法可有效补偿单色器分辨率的降低。

机械刻划法是制作平面光栅的重要方法之一。深入分析了机械刻划光栅的等间距刻线弯曲和刻线位置误差对平面光栅分辨本领和杂散光等光谱性能的影响，对改善光栅质量和提高应用水平有重要的意义。根据费马原理，建立了单色平行光入射、含有刻线弯曲和刻线位置误差的平面光栅在焦平面上成像的光线追迹数学模型，研究了上述两种刻线误差对光栅光谱性能的影响。结果表明，刻线弯曲和刻线位置误差分别主要影响光栅弧矢和子午方向光谱性能，刻线弯曲对光栅分辨本领和杂散光影响较小。据此对光栅刻划机刻划系统进行了修正。修正后的刻划系统产生的刻线位置误差的统计平均值降低至原有幅值的一半以下，从而有效抑制了光栅杂散光。