成像光谱仪用光栅的研究

论文摘要

衍射光栅是成像光谱仪的核心元件，光栅槽形决定光栅的衍射效率。优化光栅的槽形结构可以使光栅在宽波段范围内具有高的衍射效率。本文设计了紫外、可见近红外、短波红外和长波红外成像光谱仪用锯齿槽光栅的参数，分析了制作误差对衍射效率的影响。提出设计双闪耀光栅和浸没光栅的方法，优化了紫外、可见近红外和短波红外双闪耀光栅及浸没光栅的槽形。内容主要包含以下几个方面：简述了计算光栅衍射效率的两个基本理论，并对光栅的偏振特性进行了分析。针对光谱仪的具体要求，计算了紫外光栅、可见近红外光栅、短波红外光栅和长波红外光栅的槽形参数及衍射效率。讨论了全息离子束刻蚀和机械刻划加工光栅时可能出现的误差，分析这些误差对衍射效率的影响。简述了两种双闪耀光栅(双面闪耀光栅和双角闪耀光栅)的基本原理。分析了双角闪耀光栅的衍射特性。给出了基于光栅设计软件Gsolver设计双角闪耀光栅的基本思路，利用该方法设计了紫外、可见近红外和短波红外双闪耀光栅，给出了光栅的衍射效率曲线。对浸没式光栅的衍射特性进行了细致的分析。发现调节介质层厚度可使衍射效率曲线出现若干个波峰和波谷。当波峰的数量为两个时，衍射效率在两倍频的光谱范围内可以达到80%。根据光谱仪的使用要求，设计了紫外、可见近红外、短波红外锯齿槽和矩形槽浸没光栅的槽形结构，并给出光栅的衍射效率曲线。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 成像光谱仪用光栅的现状
• 1.2.1 传统光栅的现状
• 1.2.2 新型宽波段光栅的研究现状
• 1.3 本课题的研究工作
• 第二章 研究光栅衍射效率的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 标量理论和严格耦合波理论
• 2.2.1 标量理论
• 2.2.2 严格耦合波理论
• 2.2.3 两种理论比较
• 2.3 偏振特性分析标量理论的适用范围
• 2.4 本章小结
• 第三章 闪耀光栅设计及误差分析
• 3.1 引言
• 3.2 锯齿槽光栅的设计思路
• 3.3 光栅的结构参数和衍射效率曲线
• 3.3.1 紫外锯齿槽光栅的结构参数及衍射效率
• 3.3.2 可见近红外锯齿槽光栅的结构参数及衍射效率
• 3.3.3 短波红外锯齿槽光栅的结构参数及衍射效率
• 3.3.4 8-10.5μm 波段锯齿槽光栅的结构参数及衍射效率
• 3.3.5 10.5-14μm 波段锯齿槽光栅的结构参数及衍射效率
• 3.4 光栅制造误差
• 3.4.1 全息离子束刻蚀法制作误差
• 3.4.2 金刚石车削法制作误差
• 3.5 误差对衍射效率的影响
• 3.5.2 全息离子束刻蚀法制作锯齿槽光栅的误差分析（0.4-1.0μm）
• 3.5.3 单点金刚石车削制作锯齿槽光栅的误差分析（8-10.5μm）
• 3.6 本章小结
• 第四章 双闪耀光栅的特性分析及设计
• 4.1 引言
• 4.2 双面闪耀光栅
• 4.3 双角闪耀光栅特性分析
• 4.3.1 双角闪耀光栅的闪耀特性
• 4.3.2 双角闪耀光栅的偏振特性
• 4.4 双角闪耀光栅的设计思路及结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 浸没光栅的衍射特性及设计
• 5.1 引言
• 5.2 浸没光栅衍射特性分析
• 5.3 浸没光栅衍射效率的优化
• 5.3.1 优化思想
• 5.3.2 0.4-0.8μm 和 1-2μm 的优化结果
• 5.3.3 锯齿槽和矩形槽浸没光栅的设计结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢