共振非弹性散射(RIXS)是一种研究分子、材料的电子结构的X射线光谱技术，其对光源、光谱仪都有着极为苛刻的要求。掌握先进RIXS光谱仪设计思想、使用方法、性能等对未来研究均具有重要意义。通过探究其设计思想，从光程函数理论方式出发并计算变间距光栅参数，逐一分析各像差项对最终成像结果影响；开发可见激光的非接触式测量方式测量电机编码与光谱仪部件角度关系，并验证该方式的有效性；在同步辐射实验站直接使用同步辐射X射线，对光谱仪成像分辨率进行标定，掌握光谱仪工作性能；最终将SHADOW模拟数据与实际探测数据进行对比，表明光谱仪安装调试满足设计及实验要求。

本文报道了一种基于聚合物分散液晶的电控全息变间距光栅。采用柱面波和平面波干涉得到具有变间距的干涉条纹，并将此条纹记录于聚合物分散液晶材料中。实验分析研究了该光栅的空间频率、衍射特性和电场调控特性。光栅的空间频率变化范围和趋势与理论计算公式相匹配，实验结果表明光栅衍射效率与曝光光强和时间存在一定的关系。空间频率在530 mm-1~650 mm-1内的光栅衍射效率能达到70%以上。光栅的阈值电压为2.4 V/μm，上升沿和下降沿时间分别为300 μs和750 μs。该光栅不但具备了普通变间距光栅的优点，而且还具备了聚合物分散液晶的电场调控的特性，在光纤通信，光电探测及光谱探测等领域具有一定的应用前景。

光栅作为一重要的分光元件, 广泛应用于各类光谱仪, 其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用, 一次实现宽光谱范围的记录。 商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数, 而不会提供光栅具体的变线距参数, 并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。 使用者往往只需要其中的一部分波段。 针对这种情况, 根据球面平场光栅聚焦、 分光原理, 利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。 并给出了利用这些参数, 根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。 根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。 研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪, 覆盖光谱范围230~280 nm。 采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1, 使用波段为170~500 nm。 推导了该光栅的变线距参数, 并针对230~280 nm波段对CCD的安装位置进行了优化。 同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。 波长标定采用参数拟合法, 整个波段范围内的标定精度优于0.01 nm。 光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08 nm@280.20 nm。

随着对太阳等离子体活动物理过程研究的深入，对太阳极紫外成像光谱仪的性能要求越来越高，而设计高性能太阳极紫外成像光谱仪的一个重要方法就是应用变间距光栅。提出了一种应用全息变间距光栅的太阳极紫外成像光谱仪的设计方法：首先设计系统的初始光学结构，然后根据全息变间距光栅光程差原理，利用1stopt软件的通用全局优化算法计算出像差小的光栅，最后用Zemax软件对整个系统进行建模与优化。给出了设计实例，设计出的太阳极紫外成像光谱仪工作波长范围为17~21 nm，视场为2400″，空间分辨率为0.6″，光谱分辨率为0.00225 nm/pixel，长度约为2 m。在光谱范围内，空间方向与光谱方向的均方根半径以及截止频率范围内的调制传递函数均满足要求。

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪, 用于磁约束等离子体诊断。 采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件, 光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1, 掠入射角为3°。 一台可深度制冷、 背照式面阵CCD作为光谱探测器, 用机械快门控制曝光时间。 通过CCD在光谱聚焦面的移动, 可以记录的光谱范围为5～50 nm。 用Penning放电光源测试了光谱仪的性能; 利用光源的标准谱线, 进行了波长标定, 波长精度为0.003 nm, 并计算出系统各参数的实际值; 当入缝宽度设置为30 μm时, 在20 nm附近, 光谱分辨率达0.015 nm, 达到设计指标。

变间距全息光栅具有自聚焦和消像差功能,是高分辨率光谱仪与同步辐射单色器中的重要元件。研究了使用平面等间距光栅产生非球面波,记录平面变间距全息光栅的方法。根据几何光学的光线追迹理论,推导了光栅参量的四阶解析表达式。并基于费马原理,提出了记录光路的光线追迹数值算法。应用所推导的光栅参量四阶表达式,仿真设计了变间距全息光栅。通过合理选择记录参量,可以避免光栅基底受到零级及高阶衍射光场的影响。设计结果表明,理论光栅线密度与要求值相当符合;经光线追迹数值算法验证,解析表达式的展开误差在整个记录区域内小于1.5线;考虑到实际加工工艺允许误差,使用辅助光栅的记录光路对记录参量的误差并不敏感;设计实例证明了解析表达式的有效性,以及使用辅助光栅的记录光路的优越性。