在激光等离子体诊断等领域中,以平焦场光栅为核心器件的软X射线光谱仪发挥着重要作用。利用电子束光刻-近场全息法制作的平焦场光栅兼具电子束光刻线密度变化灵活,以及全息光栅低杂散光、抑制高次谐波等的特点。采用光线追迹方法分析电子束光刻-近场全息法制作平焦场光栅的主要制作误差对其光谱成像特性的影响。结果表明:电子束光刻制备熔石英掩模和近场全息图形转移过程的制作误差均会导致谱线展宽;以目前应用较多的软X射线平焦场光栅(中心线密度为2400 line/mm、工作波段在0.8~6.0 nm)为例,当熔石英掩模在光栅矢量方向的长度为50 mm时,电子束光刻分区数目应保证在1500以上;熔石英掩模线密度偏差引入的谱线展宽可以通过调整近场全息制作参数来消除;确定了近场全息中的两个主要影响因素--熔石英掩模与光栅基底的间距和夹角;近场全息中各误差因素之间有相互补偿的效果,故除了尽可能消除制备过程中的每一种制作误差外,也可以通过优化不同误差之间的分配来降低制备误差。本研究对优化电子束直写掩模策略、降低掩模制作难度、设计和调整近场全息光路有重要帮助。

基于稀疏约束的鬼成像光谱相机, 能够通过单次曝光获得目标场景的三维空间光谱数据立方体。但是由于不同波长的散斑场在探测器的同一位置处, 使得仪器的光谱分辨率和信噪比受到限制。为了解决上述问题, 提出了利用平场光栅分光将不同波长的光场在探测面上错开一定距离的系统, 实现了基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机。通过对系统成像过程的理论推导, 得到了系统的关联函数, 并通过实验和数值模拟验证了理论推导结果。在保证原先光谱相机优点的同时, 基于稀疏约束的鬼成像高光谱相机可以分别调控光谱分辨率和空间分辨率, 实现可控的信噪比。此外, 还能够根据不同波长的光场特性来优化测量矩阵, 从而提高图像恢复质量。

采用名义栅距为1/1200mm、凹面曲率半径为5649mm的变栅距凹面光栅,研制了一种小型平焦场光栅光谱仪.谱仪入射角为87.45°,物距为155mm.使用"星光Ⅱ”激光装置对该谱仪进行了测谱实验,得到用胶片作时间积分光谱记录时谱分辨率不低于0.015nm.

给出了变栅距四面光栅的光程函数和综合像差的普遍表达式,在此基础上针对我们采用的日立变栅距平焦场四面光栅的实际参数,详细研究了它的成像性质,同时还给出了使用该光栅的平焦场光栅谱仪工作在像散和消像散两种模式下的典型实验结果。

利用掠入射反射短波截止原理,成功地实现了平场光栅谱仪的无级次重叠摄谱.实验结果表明,利用该方法来消除平场光栅谱仪中短波长的高级谱对所考察波段的一级谱的影响是简便而有效的.实验获得了镁激光等离子体在4.4～5.6nm,5.9～11.8nm,7.0～14.0nm三个不同波段的近似的纯一级谱.

研制成一台由柱面反射镜和球面反射镜组成的掠入射前置光学系统和变间距球面光栅组成的掠入射平场光栅谱仪,它不仅有较高的效率和光谱分辨,调整方便,而且还具有在4.4nm～30nm波长范围里同时获得一维空间分辨光谱的能力.用该谱仪成功地获得了线聚焦激光产生的Si,Cu及其它元素的等离子体柱的轴向空间分辨光谱.该谱仪很适合与具有平直接收表面的光电探测器,如软X射线条纹相机等联用以获得时间分辨光谱.