深槽中阶梯光栅衍射波前求解理论及像差校正技术研究

Large-area and high-precision echelle grating as the key optical disperse element of advanced spectrometer, is widely used in astronomy, remote sensing, medical, defense security, life exploration and other fields.At present, the traditional Stroke diffraction wavefront solving theory adopted by mechanical ruling method, is applied to guide machine design and error correction, so as to improve the quality of diffraction wavefront.This theory only consider the position error of grating grooves while ignoring the shape error, which lead to the incorrect result when solving wavefront of deep groove echelle gratings.Base on this, a method of solving diffraction wavefront is proposed, which include both position error and groove shape error. The advantages of this method are that energy distribution of the diffraction wavefront can be reflected and more accurate mid-high frequency results can be acquired. With traditional theory largest area of 400mm×500mm ruling engine has been designed by research group, and an echelle grating has been made with PV value of λ/3. Next, research of deep-groove grating wavefront aberration correction technology will be carried out, in order to reduce the mid-high frequency aberration which affect image quality of grating and solve the “fence” latent image problem caused by uneven distribution of energy.

大面积高精度中阶梯光栅作为高端光谱仪的核心光学元件，被广泛应用于天文、遥感、医疗、国防安全和生命探索等领域。目前，机械刻划法制作光栅均采用传统的Stroke衍射波前求解理论指导刻划机设计和机械误差校正，从而提高衍射波前质量。但该理论仅考虑光栅刻槽的位置误差而忽略了槽形误差，在进行深槽中阶梯光栅波前求解时无法给出正确的结果。鉴于此，提出了兼具刻槽位置和形状误差的刻槽函数模型，并基于该模型求解中阶梯光栅衍射波前的方法。其优势在于刻槽形状参数的引入能够反映出衍射波前的能量分布，以及更准确的中高频波前差计算结果。课题组已经利用传统理论设计了最大面积为400mm×500mm的光栅刻划机，并刻制出波前差PV值为λ/3的中阶梯光栅。下一步，将利用该方法开展深槽光栅波前像差校正技术研究，降低影响光栅成像质量和杂散光的中高频衍射波前差，并解决中阶梯光栅普遍存在的波前能量分布不均引起的“栅栏”潜像问题。

大面积高精度中阶梯光栅作为高端光谱仪的核心光学元件，被广泛应用于天文、遥感、医疗、国防安全和生命探索等领域。衍射波前是光栅的一项重要性能指标，实现较高的衍射波前质量和较低的刻划误差是大面积高精度衍射光栅研制所面临的瓶颈之一。首先，针对光栅刻划过程中存在的各种误差分析出误差产生的机理及其与光栅刻槽的作用规律，并建立反应包含槽深等误差的刻槽函数表达式。其次，基于刻槽函数建立了光栅衍射波前与误差的数学模型。结合光栅刻划试验，基于该模型解释了光栅“栅栏”产生的原因，并通过高频衍射波前差的引入模拟了该现象的产生。该技术应用于大光栅刻划机的改进，分别实现了光栅刻划过程工作台摆角误差的校正、阿贝误差的校正、环境误差的校正以及二次误差的校正等，大幅提升了光栅刻划精度。再次，在建立衍射波前求解光栅分辨本领性能指标模型的基础上，考虑了光栅衍射光的强度变化及空间分布特性，从而进一步提高模型精度。利用该技术，在光栅刻划机上实现了光栅刻划过程的衍射波前、分辨本领、杂散光和鬼线等指标的在线间接检测，解决了以往长时间刻划中无法获取光栅刻划参数动态变化的问题。该方法的应用有效的提高了光栅的刻划成功率。最后，根据光栅槽形函数的反演模型，建立了光栅刻划的像差校正方法。通过对基底面形误差、刻划机系统误差等的补偿可进一步提高光栅的加工精度。另外，通过特殊的光栅设计，该方法可实现具有特定形式衍射波前光栅的研制，从而为像差校正光栅、采样光栅等的研制提供新技术。依托课题成果，研制出三块尺寸为300mm×500mm的79gr/mm中阶梯光栅，该光栅衍射波前优于1/3λ（λ=632.8nm），满足大面积光栅的应用需求，课题成果具有较好的市场应用前景。发表论文5篇，申请国家发明专利4项。