衍射光栅已被广泛应用于同步辐射光源软X射线与真空紫外光栅单色器中,光栅线密度偏差会直接影响单色器的性能。为了检测光栅线密度的偏差,本文在合肥先进光源预研过程中搭建了长程面形仪(LTP)系统。使用自准直仪对LTP检测光栅系统在26 μrad内的检测精度进行了标定。利用LTP对自主研制的760 line/mm与2400 line/mm等间距光栅进行线密度均匀性检测,使用干涉仪对760 line/mm光栅进行0级与1级衍射波前检测,并将检测结果与LTP测量结果进行比较。结果表明:系统标定的均方根误差为30 nrad,与干涉仪检测结果相比,两者同位置处的高度轮廓曲线具有较好的一致性。这说明搭建的LTP系统具有较高精度的检测光栅线密度的能力,为检测同步辐射光栅线密度的变化提供了平台。

为制作应用于在线诊断光谱仪的高分辨率光栅, 通过分析记录参数误差对光栅刻线密度、 聚焦曲线、 谱像宽度等的影响及规律, 提出相应的补偿方法是必要前提。 基于费马原理、 光程差理论及像差理论, 分析了光栅光谱性能对记录参数误差的影响及其敏感性。 在光栅使用参数固定的情况下, 记录角度误差对光谱性能影响较大, 在光栅设计时可通过对记录角度加权的方法来提高记录角度的取值的精确度; 记录臂长误差对光谱性能影响较小; 记录臂长和记录角度的相对误差决定了其对光栅光谱性能影响程度。 结果表明, 单侧记录臂长和角度误差对光谱性能的影响, 可分别通过调节两臂臂长及角度的相对误差进行补偿。 由此可以确定对应用于在线监测光谱仪光栅成像质量影响较大的误差因素, 并给出制作误差的相应补偿方法, 降低曝光系统的调试难度, 为制作在线诊断光谱仪用高分辨率光栅提供理论指导。

在两种不同条件下分别讨论了平行光栅对压缩器输出激光脉冲的时间稳定性，采用数值计算的方法定量分析了光束指向性、折返镜姿态变化、光栅对平移误差等因素对压缩器输出脉冲脉宽的影响以及在不同光栅刻线密度下输出脉冲对这些因素的敏感程度，并给出了不同条件下不同影响因素的误差容许范围。

针对极紫外波段自由电子激光器(大连相干光源, DCLS)对高分辨能力平面变栅距光栅的需求, 基于光程差以及像差原理构建了极紫外平面变栅距全息光栅。采用改进的局部优化算法给出了平面变栅距光栅的记录参数, 利用全息曝光技术在硅光栅基底上制作了中心刻线密度为600 gr/mm、占宽比为0.46、槽深为550 nm、有效刻划面积为30 mm×30 mm的极紫外平面变栅距全息光栅。采用Littrow衍射法测量了平面变栅距光栅的刻线密度, 并基于像差理论分析了平面变栅距光栅的理论分辨能力。结果表明: 制作的600 gr/mm平面变栅距光栅在有效面积内的刻线密度误差小于0.175 gr/mm, 在极紫外波段(50~150 nm)的分辨能力大于12 000, 满足自由电子激光器的设计要求。提出的设计及制作方法为制作高质量平面变栅距光栅提供了理论及技术保障。

针对应用于50~150 nm波段的变栅距光栅, 采用球面波曝光系统进行优化设计, 分析了不同宽度光栅的刻槽密度变化和光谱分辨能力。理论分析结果表明, 光栅宽度为4 mm时, 理论分辨能力高于14 000; 光栅宽度为10 mm时, 理论分辨能力约为9 000; 光栅宽度为30 mm时, 理论分辨能力急剧下降, 约为3 000。光栅的宽度越大, 其刻槽弯曲程度就越大, 光栅的光谱分辨能力就越低, 因此球面波曝光系统只适合制作宽度较小的变栅距光栅。

为制作应用于极紫外波段(50~150 nm)的变栅距全息光栅，提出了一种新的应用于球面波曝光系统的优化算法，即改进的局部优化算法。根据仪器使用要求构建了期望刻线密度函数，并以此建立优化目标函数，其特点是使四个目标函数转化为多变量、带约束的一个目标函数，变为非线性优化问题。使用改进的局部算法时，由于对目标函数进行了加权，赋予了初值多样性，限定了记录参数取值，给出了刻线密度系数的约束条件，从而改变了各项系数对目标函数值的贡献，有效地降低了刻线密度函数系数的误差，提高了刻线函数符合程度及光栅分辨率。与常规局部优化算法相比较，使用改进的局部优化算法可使刻线密度函数与期望刻线密度函数绝对误差在0~0.02 line/mm 范围内，提高一个数量级，分辨能力可由4000提高至17000以上。结果表明，只要优化方法选择得当，使用简单的球面波曝光系统可以制作高分辨率的变栅距全息光栅。

分析了罗兰光栅帕邢龙格结构中光栅线密度误差对波长精度的影响。提出一种利用参考光栅在线检测罗兰全息光栅干涉场条纹密度的方法。将具有标准线密度的参考光栅放置在干涉场内曝光位置，通过检验曝光光束的自准直衍射光与空间滤波器中针孔位置的重合度来判断干涉场条纹密度误差。推导了干涉场条纹密度误差与曝光光束自准直衍射光偏移量的解析表达式，发现干涉场条纹密度误差与曝光光束自准直衍射光偏移量、罗兰光栅曲率半径和曝光光束波长有关。以曲率半径750.2 mm的罗兰光栅为例，当采用441.6 nm激光建立光路时，利用此方法可将干涉场条纹密度误差调整至0.035 groove/mm以内。

刻线密度准确与否直接影响光栅色散及给定波长的衍射方向，进而影响光谱仪器结构设计。为了提高全息光栅刻线密度的制作精度，提出了平面全息光栅刻线密度的倍频式调整方法。将给定刻线密度的基准光栅放在干涉场曝光区域内，调节光束干涉角，干涉场曝光光束经基准光栅衍射后，根据调整光栅刻线密度的不同选择不同的衍射级次相互叠加形成莫尔条纹，以基准光栅刻线密度的倍数来确定待制作光栅的刻线密度。理论证明了基准光栅周期与光栅像周期之间存在倍数关系，指出了基准光栅刻线密度选择在倍频式调整方法中的等效规则，分析了基准光栅宽度不同对光栅刻线密度制作精度的影响。计算结果表明，当基准光栅宽度达到100 mm时，制作300 line/mm光栅其刻线密度误差小于1 nm，刻线密度越大误差越小，故以基准光栅的刻线密度来确定待制作全息光栅刻线密度的倍频式调整方法能够满足全息光栅的制作要求。