软X射线并联平焦场谱仪中光栅的设计和制作方法的探索

软X射线平焦场谱仪不仅可以测量等离子体发射的积分光谱，而且可以测量等离子体发射的微分光谱，故而已成为软X 射线波段光谱测量中非常重要的仪器，广泛应用于惯性约束核聚变与X射线激光等研究中的激光等离子体诊断。但目前软X射线平焦场谱仪受限于其核心元件- - 凹面变栅距光栅，由于不能兼顾宽谱段和高分辨，有时不能满足实际研究的需求。本项目提出一种并联平焦场光栅谱仪，在不降低分辨率的同时，波段宽度扩展至两套常规谱仪之和。该谱仪的关键是将两组不同变栅距光栅"并联"制作在同一基底上，入射光经过该光栅后，在探测器上垂直色散方向形成并联结构的光谱。本项目根据惯性约束激光聚变中X射线光谱诊断的特点，设计并联平焦场谱仪的工作范围，优化并联凹面变栅距光栅的参数，探索利用全息-离子束刻蚀法制作并联凹面光栅的方法，解决并联光栅的优化设计和制作工艺问题。该研究将为软X射线并联平焦场谱仪设计和实验应用提供理论和技术基础。

掠入射软x射线平场光栅光谱仪是在探测高温等离子信息的重要仪器，其中，平场光栅是掠入射平场光栅光谱仪最核心的光学元件。但平场光栅的工作波段有限，因此不同波长的光谱不能被同时记录和分析。为了拓宽其工作波段，我们采用了并联平场光栅的方法，即两个不同工作波段 (5~25 nm和2~5 nm)的平场光栅被制作在同一基底上且可以同时工作，即两个光栅需要具有相同的基底曲率半径，入射距离，入射角度和成像位置。为了与现有的光栅光谱仪兼容，并联平场光栅的入射距离为237mm，成像位置为235mm。基于遗传算法，优化光栅的入射角度，从而确定两组光栅入射角度的交点近似为88°。在88°入射角下，通过遗传算法的优化，确定出最优的光栅线密度变化系数。基于光线追迹理论，研究了平场光栅的分辨率，对比了并联平场光栅和商用的平场光栅的结果，二者的分辨率相当。我们给出了并联平场光栅详细的制作工艺和曝光光路，并研究了光路中各参数对线密度的影响情况，确定了最敏感的影响因素，为实际光路的搭建提供了理论的指导，且给出了详细的光路搭建过程。通过对特征波长衍射效率的研究，确定了光栅最优的占宽比和槽深的范围。由于两组光栅需要同时工作，我们研究了其对准的情况，给出了基于光斑衍射的对准方法，对准精度可达0.114°。最后，给出了制作的并联平场光栅的原子力图和照片图。通过理论的设计和实际的制作，结果表明，并联平场光栅既拓宽了工作波段，又保证了分辨率，其适合于测量更宽波段的软Ｘ射线等离子体信息。