变栅距衍射光栅的原理及应用

　　1　引　　言

　　传统的衍射光栅都是等栅距光栅,它们是各种光谱仪器的核心元件。但随着科学技术的进步,变栅距光栅(VLS)所具有的像差校正、高分辨率及平焦 场等独特优点日益突出,使其在空间光谱仪、等离子体诊断、同步辐射单色仪、光纤通信等领域广泛应用。变栅距衍射光栅已经成为光栅领域又一个研究热点。

　　早在1875年,Cornu就曾注意到,如果光栅刻槽的栅距不相等,而是按照一定规律变化时,光栅会变得像透镜一样,具有聚焦性能。借助一个线 性栅距的变化(由早期的刻划机所固有的运行误差引起),他能够对具有大的线性栅距变化的刻划光栅进行一些聚焦能力的预测。但Cornu的发现没有被深入研 究,因为当时人们的注意力都放在如何减小栅距误差上了。

　　由于凹面光栅具有自聚焦特性,消除了平面光栅由于引入准直镜和聚光镜带来的能量损失,因此工作在真空紫外波段和极紫外波段的光谱仪广泛采用凹面光栅,但是凹面光栅存在严重的像差,为了减少这一像差,Cornu关于变栅距的思想又得到了人们的关注。

　　2　VLS的分类

　　光栅的分类方法有多种,这里以光栅刻槽的变化对VLS进行分类。

　　2.1　直的、平行的刻槽

　　这种光栅的刻槽是直的且平行的,它是在光栅毛坯表面和金刚石刀具之间在刻划机上往复运动的相互作用下形成的,现代的光电式刻划机可以通过精确地 测定单个刻槽的位置来加工这种VLS。这是最早的VLS,也是目前应用最多的一种,其典型产品有日本Hitachi公司中央研究所等刻划的VLS。

　　2.2　非线性刻槽

　　这种光栅的刻槽是弯曲的或同心弯曲的,虽然在刻划机上进行曲线刻划具有很大难度,但曲线刻槽的球面光栅比单独的变栅距或采用非球面的光栅存在着 一个更大的像散校正区间。1982年,Perkin-Elmer公司已经开始刻划具有单侧弯曲的同心刻槽的平面VLS[1]。目前,非线性光栅的刻划也普 遍采用全息方法[2]。

　　2.3　扇形刻槽

　　这种光栅的刻槽是直的,但刻槽向刻划中心会聚,其栅距沿着刻槽的长度方向变化,衍射光波沿着锥体传播,这种VLS可以用于校正相对于谱像作线性 变化的焦距。对扇形刻槽的刻划是很有挑战性的,因为沿着每条刻槽,其深度是连续变化的,这就需要有一种可以连续改变金刚石刀具负载的方法,由于既要满足大 闪耀角的要求,又要在刻槽之间完成栅距的变化,所以,具有扇形刻槽的VLS可能是最难加工的[3]。

　　3　VLS的像差校正原理

　　VLS最突出的优点是具有像差校正能力。众所周知,等栅距凹面光栅具有自聚焦的特点,但其像散明显,特别是在大衍射角的条件下,这限制了凹面光栅的进一步应用。变栅距凹面光栅则可以较好地解决这一问题。