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椭圆反射式波带片及其二值化研究

作　者: 杨祖华
导　师: 肖沙里
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: 波带片反射式波带片二值化准随机阵列谱学光子筛
分类号: O436
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在软X射线波段，能谱测量在空天技术探测、惯性约束聚变、激光等离子体诊断、材料学研究、同步辐射、软X射线计量学等前沿科学技术领域中发挥着非常重要的作用。而主要应用于辐射驱动惯性约束聚变研究中的Dante谱仪是基于衍射光栅原理的软X光能谱仪，高次谐波污染不仅在Dante谱仪每个能量通道标定的过程中存在，也存在于测谱过程；应用于同步辐射、自由电子激光以及新型的基于激光等离子体的betatron X光源的单色仪、能谱仪严重受约于高次谐波污染，同时，为了有效滤除高次谐波组分，须采用多个光学元件，进而大大降低了X光的利用率，增加了操作的繁琐度。因此，科研人员不得不寻求更加便易的技术或光学元件解决上述的问题。中物院激光聚变中心曹磊峰的课题组研制了基于Gabor波带片原理的二值化菲涅波带片以及谱学光子筛，然而这种波带片聚焦焦斑大小不仅受限于最外环微加工水平，还受限于“体衍射效应”的10nm的最小空间分辨的限制。为此，解决方法是采用“单焦点软X射线反射式波带片”，这种单焦点波带片是基于国际上新近的椭圆反射式波带片的理论，以及本文提出的两种创新型的二值化方法——准随机阵列法及谱学光子筛法，仅截取RZP离轴的一部分，使得这种反射式波带片集色散、聚焦、消除0级光干扰和抑制高次谐波的特性于一身。本文进行的主要工作：①论述了标量衍射理论，进而对衍射光栅的原理、高次谐波污染问题进行了分析，特别对菲涅耳波带片及Gabor波带片进行了介绍；②论述了椭圆反射式波带片设计原理；③分析了波带片或者光栅的二值化技术理论知识；④为深入研究传统的“黑白式”椭圆反射式波带片的衍射特性，利用MATLAB编制了专用模拟程序研究了反射式波带片的三大特性——去零级，聚焦，高谱分辨率以及高次谐波污染问题；最后，本文分析了两种二值化方法的理论，并编制了专门的MATLAB设计及模拟程序，设计了准随机阵列二值化反射式波带片，以及谱学光子筛二值化反射式波带片，验证了两种二值化方法在保持原有的特性前提下极具有高效的抑制高次谐波的优势。为了从实验上验证谱学光子筛二值化反射式波带片的高效抑制高次谐波优点，本文设计了100环可见光波段的“简化的”反射式波带片、实验光路并利用Shadow模拟验证了实验光路设计的可行性，为实验研究作好了充分准备。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 前言  8-20
  1.1 研究意义  8-17
    1.1.1 技术难点  8-9
    1.1.2 需求分析  9-15
    1.1.3 研究意义  15-17
  1.2 国内外现状  17-18
  1.3 论文内容安排  18-20
2 标量衍射及 Gabor 波带片理论  20-32
  2.1 标量衍射理论  20-24
    2.1.1 衍射概述  20-21
    2.1.2 菲涅耳-基尔霍夫衍射  21-22
    2.1.3 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射  22-24
  2.2 衍射光栅  24-28
    2.2.1 光栅方程  24-26
    2.2.2 光栅色散性质  26-27
    2.2.3 光栅色分辨力  27-28
  2.3 菲涅耳波带片  28-30
    2.3.1 菲涅耳波带法  28-29
    2.3.2 菲涅耳波带片  29-30
  2.4 Gabor 波带片介绍  30-32
3 椭圆反射式波带片衍射特性研究  32-42
  3.1 RZP 结构及原理  32-34
  3.2 RZP 衍射特性研究  34-40
    3.2.1 RZP 参数设计  35-36
    3.2.2 模拟计算及分析  36-40
  3.3 高次谐波污染  40-42
    3.3.1 根结：传统黑白光栅方程  40
    3.3.2 模拟验证  40-42
4 椭圆反射式波带片二值化研究  42-62
  4.1 二值化理论研究  42-47
    4.1.1 准随机阵列二值化理论介绍  43-44
    4.1.2 谱学光子筛二值化理论介绍  44-47
  4.2 二值化椭圆反射式波带片衍射特性  47-57
    4.2.1 准随机阵列 RZP  47-50
    4.2.2 谱学光子筛 RZP  50-57
  4.3 离轴成像特性  57-62
5 椭圆反射式波带片实验设计  62-70
  5.1 设计目的  63
  5.2 设计思路  63-64
  5.3 实验光路系统细则  64-70
    5.3.1 简化的谱学光子筛 RZP 元件设计  64-66
    5.3.2 光源  66
    5.3.3 柱透镜（L3）  66-67
    5.3.4 扩束镜（L1+L2）  67-70
6 总结及展望  70-72
致谢  72-74
参考文献  74-78
附录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  78

椭圆反射式波带片及其二值化研究

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