同步辐射用像差校正全息光栅的逆向设计

High performance monochromator is necessary for synchrotron radiation(SR) soft-x-ray and VUV spectroscopy, and plays an inportant role in the scientifc research at advanced SR light sources. As the key component of monochromator, gratings can be a decisive factor in improving the performance of the SR beamlines, if its aberration correcting ability is throughly studied and realized. In current application,the reverse design method of aberration corrected holographic grating will be studied. The merit functions will be established through the numerical analysis of ray-tracing spot gram, according to typical monochromators used in SR beamlines. The optimized recording parameters for the holographic grating will be determined by the advanced optimization algorithms such as genetic algorithm. Thus, the reverse design method for aberration corrected holographic grating can be realized. Such method combines the grating fabrication process and beamline design, which will be powerful in the design of advanced SR beamlines,as well as other high performance monochromators.

高性能光栅单色器是同步辐射软X射线-真空紫外光谱应用研究的必要设备、也是充分发挥先进同步辐射光源优越性能的关键。光栅作为单色器主要部件，充分研究其像差校正能力及实现方法，将对束线的性能提升起到决定性作用。本项目将研究像差校准全息光栅的逆向设计方法，结合同步辐射光束线设计中常用的光栅单色器结构，通过对光线追迹获得的出缝上点列图数据的提取及分析，研究建立恰当的像差评价函数的方法；通过研究遗传算法等先进优化算法在评价函数优化中的应用及具体实现方法，获得同步辐射光束线使用的像差校正全息光栅最优化曝光光路，从而实现像差校正全息光栅的逆向自动设计。这一方法使全息光栅制作工艺设计和光栅单色器光学设计两者有机结合起来，有利于先进同步辐射束线设计，也有助于其他高性能光栅单色器的设计。

随着我国同步辐射应用水平的不断提高，对光束线性能的要求也在不断提高。光栅单色器是同步辐射软 X 射线-真空紫外光束线的核心设备，而光栅作为单色器主要部件，对 束线的性能起到决定性作用。本项目针对同步辐射光束线设计中常用的光栅单色器结构，研究了像差校准全息光栅的逆向设计方法。. 根据同步辐射光束线特有的光路设计要求，本项目首先研究了同步辐射光栅单色器像差评价函数的获得方法，通过光线追迹获得出缝上点列图数据的提取及分析，建 立了恰当的像差评价函数的方法；通过遗传算法等先进优化算法在评价函数优化中的应用及具体实 现方法，获得同步辐射光束线使用的像差校正全息光栅最优化曝光光路，从而实现了同步辐射像差校正全息光栅的逆向自动设计方法。上述研究，建立了同步辐射光栅单色器像差矫正全息光栅设计及制作的理论方法，并得到了相应的计算机辅助设计程序。. 利用上述设计方法，分别实现了软X射线平场光谱仪像差矫正全息光栅的设计、同步辐射真空紫外区Seya-Namioka单色器像差矫正全息光栅的设计及制作、真空紫外区球面光栅单色器像差矫正全息光栅的设计及制作等。初步的在线测试结果表明了本项目所研究的方法的可行性，为下一步更广泛的应用提供了基础。. 本项目研究使全息光栅制作工艺设计和光栅单色器光学设计两者有机结合起来，有利于先进同步辐射束线设计，也有助于其他高性能光栅单色器的设计。