随着同步辐射光源中光束线的分辨率不断提高，衍射光栅成为影响分辨率的关键因素，因此，在将光栅安装到光束线之前，需要进行准确的测试。用长程面形仪测量合肥光源光电子能谱线所需的变线距光栅的线密度，光栅衍射角变化范围超出长程面形仪的测量范围，因此采用拼接测量。用数据重叠测试及数据处理方法，消除了转台定位误差，有效抑制了随机误差，使光栅周期测量的重复性有较大提高。不同重叠率的测试结果显示，测量一致性优于1.13×10^-6（RMS），满足了变线距光栅的测试需求。

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。

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。

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。

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。

利用多缝干涉原理计算了平面变线距光栅的衍射场分布,给出了它的主极大位置、半宽度等物理量.讨论了该光栅在成像参量变化时对光栅衍射场的影响,得到了变线距光栅单色器参量变化的限制范围.

变线距光栅在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景,它的制作和检测方法尚未成熟。用干涉法测量变线距光栅的线密度,给出了测量原理、实验中的光路、数据处理的方法、测量结果。在待测光栅表面,衍射光干涉条纹的数量和密度是入射光干涉条纹和倍增后光栅的刻线之差。采用共光路的方案,使光路具有很强的抗干扰能力。用中值滤波消除干涉图像中的干扰。针对不同的干涉条纹,讨论和比较了两种测量方法,提出相对密度不变性。证明了干涉法完全可以用于变线距光栅的线密度测量,并能达到一定的精度,初步解决了检测问题,认为这种方法也可以用于变线密度光栅的加工中。

变线距光栅在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景,它的制作和检测方法尚未成熟,本文在介绍变线距光栅线密度变化规律的基础上,采用级数形式表达变线距光栅线密度,比较了几种测量方法后,将云纹法引入变线距光栅的检测中,从理论上介绍了几何云纹法和云纹干涉法,几何云纹法适合于线密度很低的光栅,云纹干涉法适合于线密度较高的光栅,云纹的密度反映了光栅的线密度,如果云纹非常密,精确地测量所有云纹的坐标比较难,可以用数云纹数目的方法测出光栅的密度变化,就变线距光栅的检测分别给出了有关理论公式,并给出实际测量中的光路和初步的结果,最后指出这种方法可以用在变线距光栅的加工中.

变线距光栅能够自动聚焦和消像差,在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景,本文用干涉法测量变线距光栅的密度,设计并给出了实验中的光路,发现了环形的干涉条纹和变化规律,分析了这些现象产生的原因,产生明显的环形条纹的必要条件首先是变线距光栅的线密度单调变化的,连续增加或连续减小,其次要光栅的刻线是弯的,第三虚栅的密度接近待测光栅的整数倍,由于元件位置偏差,检测用的平面波会变成球面波,也会产生环形的干涉条纹,但是这种效应可以忽略.预言了类似双曲线的干涉条纹.通过对条纹运动规律的分析,可以在初步测量中定性分析光栅密度的变化趋势,从而为进一步测量做准备.