针对传统位移传感器测量精度低、量程小和稳定性不足的问题，文章提出并实现了一种基于变栅距光栅的位移传感器，进行位移特性测试并重点分析了测量过程中的误差问题。实验中将变栅距光栅置于电动位移平台上，通过调节平台位移控制光斑入射位置，建立光栅位移与反射光谱一级衍射中心波长之间的相关关系，实现波长对位移的编码。平台移动范围为0~20 mm，步长为2 mm，往返重复测量6次，记录各位移点处的中心波长，标定传感器的位移特性。针对各位移点重复测量产生的中心波长数据进行误差分析，采用贝塞尔公式结合别捷尔斯法分析各点多次测量数据的标准差，并结合莱以特（3σ）准则进一步判定数据的可靠性。实验结果表明，该传感系统无系统误差和粗大误差；波长与位移呈线性变化，多次重复线性度优于0.994 6，传感器全量程平均位移灵敏度为16.67 nm/mm，为基于变栅距光栅位移传感系统的研究提供了一定的参考。

对太阳进行光谱成像观测是太阳物理和空间天气研究的重要数据来源。在极紫外波段对动态的太阳大气进行光谱成像观测面临着严峻挑战。传统的狭缝式成像光谱仪受瞬时视场的限制,必须通过耗时的推扫才能获取二维日面图像,系统不具有高时间分辨率,无法捕获太阳过渡区域和日冕的快速演化过程。尽管极紫外成像仪能够实现大二维视场和高时间分辨率的观测,但却无法获取光谱分辨率信息。本文基于像差校正的椭球面变线距光栅,提出了一款新型无狭缝成像光谱仪,该系统同时工作在三个光栅衍射级次(m=-1,0,1)上,这样的新颖设计不需要任何元件的机械运动,单次快照便可同时获得三幅视场为20 arcmin×20 arcmin的极紫外窄波段(29.4~31.4 nm)太阳日面图像,该仪器的时间分辨率高且视场大。不发生色散的0级次系统相当于一台极紫外成像仪,可以直接获得高分辨率空间信息(0.6 arcsec);发生色散的±1级次图像携带有空间和光谱的混叠信息,类似于计算层析成像原理。通过数据反演算法,可以从三个级次的图像中提取高分辨率的光谱信息(0.0035 nm)。

基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,设计了一款兼具大离轴视场和宽波段的太阳极紫外正入射成像光谱仪,使用三个平场探测器,可实现在极紫外波段对包括日冕和过渡区域在内的太阳上层大气的高空间和高光谱分辨观测。该仪器仅有两次反射表面,同时使用周期性的SiC/Al多层镀膜最大化地减小了极紫外波段的光子通量损失,提高了仪器的传输效率。该成像光谱仪的工作波段为40~47 nm、53~60 nm和66~73 nm,口径为100 mm,沿狭缝方向的离轴视场为18',系统的空间分辨率优于0.55″,光谱分辨率优于30×10 -4 nm。

研究了一种侧面均匀发光聚合物光纤(POF)的制备方法,采用激光打标技术在POF侧面制作变栅距(VLS)光栅型散射点,建立了激光打标VLS散射点模型,该模型由深度很浅的表面凹坑和纤芯内分布着散射颗粒的散射区组成。理论推导出散射点相对散射光功率和VLS栅距的计算公式,分析了散射点的散射光功率随凹坑深度和颗粒密度的变化规律,以及不同散射点凹坑深度和不同POF侧面发光相对出射度下VLS栅距的分布规律。结果表明散射点凹坑深度的微小变化(微米量级)对散射点的散射光功率和VLS栅距的影响很大。当散射颗粒密度N<10 ⁵ mm ^-3时,散射点散射光功率变化不大;但是当N>10 ⁵ mm ^-3时,散射光功率变化明显。理论计算了不同散射点凹坑深度和不同相对出射度的VLS栅距分布曲线,并且通过实验验证了理论结果的正确性。通过调节激光打标功率,实验得到了亮度均匀度高于90%的侧面发光POF。

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。

对影响变栅距光栅角位移传感器分辨率的因素进行了分析研究。推导出传感器分辨率的计算公式，并讨论了传感器分辨率与各参量之间的关系及提高分辨率的方法。针对衍射级次对分辨率的影响进行了理论分析和验证。证明了变栅距光栅角位移传感器分辨率与光栅栅距的定量变化关系并进行了仿真验证。为变栅距光栅角位移传感器设计优化提供了理论指导和计算方法。

研制了用于采集和反馈飞机舵面位置信息的柔性变栅距光栅角位移传感器。分析了影响传感器精度的主要因素, 给出了制备过程所采用的精密成型工艺。首先, 根据柱面变栅距光栅在柔性变栅距光栅角位移传感器中的核心作用, 介绍了传感器的工作原理; 分析了工艺误差对传感器精度的影响, 提出了柔性变栅距光栅精密成型为柱面变栅距光栅后内表面圆度应不大于0.01 mm。在圆度对传感器精度影响的量值基础上, 采用了柱面变栅距光栅精密成型工艺。最后, 利用有限元仿真分析了柱面变栅距光栅精密成型工艺的可行性。实验结果表明: 柱面变栅距光栅内表面圆度达到0.004 3 mm, 传感器的线性度达到最大工作角度的0.27%, 满足了航空机载传感器的精度要求。

利用变栅距光栅的衍射光束自聚焦特性,设计和制作了变栅距透射光栅,并对其自聚焦特性进行了研究。采用变栅距光栅的自动生成宏文件程序,优化设计了变栅距光栅的栅距变化。采用光栅扫描电子束光刻的方法制作了中心线数为300 l/mm、适用于355 nm 波长的自聚焦变栅距变狭缝光栅。使用三倍频Nd:YAG 激光器,研究了制作的变栅距光栅的聚焦特性,并与对氦氖激光的聚焦特性进行了比较。结果表明,主动式设计的变栅距变狭缝自聚焦光栅可以大幅提高衍射光强度和分辨本领,具有重要的应用价值。

高性能极紫外、软X-射线单色仪的研制对高亮度同步辐射光源的应用具有十分重要的意义。对Itou的变线距平面光栅单色仪作了详细的分析研究，发现它的光栅工作曲线几乎与单色仪的入、出射臂长度等参量无关，仅取决于单色仪设计的边界条件。其曲线方程和SX-700单色仪的完全类似。该单色仪不仅具有很好的光栅效率和高级次谐波抑制性能，而且有利于几条光束线共享一个电子储存环窗口的光路优化设计。