为了实现高分辨率、宽波段的空间外差拉曼光谱探测, 使用中阶梯光栅的四个衍射级次, 每个级次的对应一定范围光谱, 总的光谱探测范围得到了扩增, 最终根据设计, 搭建了一台中阶梯光栅-平面镜的空间外差拉曼光谱(Echelle-Mirror Spatial Heterodyne Raman Spectroscopy, EMSHRS)实验平台。通过标准光源进行光谱定标得到该仪器的理论光谱分辨率为 1.033 cm-1, 单个衍射级次对应的波段宽度为 1058 cm-1, 最后对三种无机物进行了光谱探测和分析, 实验结果表明中阶梯光栅-平面镜型空间外差拉曼光谱技术可实现对无机物的快速、高分辨和宽波段检测, 具有良好的应用前景。

通过摆动离子束刻蚀方法, 制作了用于短波红外高光谱成像光谱仪的凸面闪耀光栅。该方法通过在光栅子午方向上进行摆动刻蚀, 解决了凸面光栅子午方向的闪耀角一致性问题。建立了摆动刻蚀模型来分析摆动速度、束缝宽度等工艺参数对槽型演化的影响, 并计算了优化的刻蚀工艺参数。制备了基底尺寸为67 mm, 曲率半径为156.88 mm, 刻线密度为45.5 gr/mm, 闪耀角为2.2°的凸面闪耀光栅, 并对其表面形貌及衍射效率进行了测量。实验结果表明, 摆动刻蚀法能够制作出闪耀角一致性好、衍射效率高的小闪耀角凸面光栅, 满足成像光谱仪对光谱分辨率和便携性的使用要求。

大尺寸反射式光栅是提高天文光谱仪分辨率和啁啾脉冲放大系统输出能量的核心元件。随着天文和激光核聚变技术的发展, 大尺寸反射式光栅的研制已成为国内外学者研究的热点。相较于单块大尺寸反射式光栅的研制, 拼接法以其难度系数低、制作成本低和待拼接的小光栅易制作、质量高等优点成为了制作大尺寸反射式光栅的主要方法。本文介绍了大尺寸反射式光栅拼接技术的基本原理, 详细综述了光栅拼接技术的研究进展, 包括光栅拼接误差检测理论、光栅拼接误差分离、拼接光栅波前相位校正、光栅拼接误差维数的削减和光栅拼接装置, 最后总结了光栅拼接技术的优缺点并指出了其未来的发展方向。

制作高闪耀角一致性的曲面闪耀光栅需要工作台能够进行曲线拟合运动, 因此针对曲面闪耀光栅离子束刻蚀机三维工作台的控制算法开展研究。首先, 介绍了曲面闪耀光栅离子束刻蚀机三维工作台的原理方案。接着, 根据曲面刻蚀机的实际使用要求, 给出了工作台运动轨迹的理论计算方法。然后, 提出了一种适用于工作台的圆弧拟合算法, 实现了工作台所需的曲线拟合运动。最后, 在多组工作参数下开展了三维工作台运动轨迹的测量实验, 并将理想轨迹与实测轨迹进行了对比。实验结果表明：工作台进行15个周期的直线拟合运动的累积定位误差小于0.218 mm, 角度误差小于002°; 进行40个周期的曲线拟合运动的累积定位误差小于0.2 mm, 转角误差在-0.2°~0.1°。 此方法实现了三维运动工作台扫描刻蚀与摆动刻蚀的功能, 工作台的稳定性、精度、抗干扰能力满足设备使用要求。

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题，分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型，分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求，设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500 mm×500 mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。 结果显示：入射光角度误差为1°，拼接光路中绕x轴，y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1 μrad，0.003 3 μrad和0.348 2 nm时，引起波前差为2.590 1 nm。根据这一计算结果，给出了干涉仪角度调节装置的设计指标，即设置角度调节分度为0.1°时，可满足大尺寸光栅复制拼接要求。

衍射波前质量是衡量刻划光栅性能的重要指标之一, 光栅刻划机若存在阿贝误差, 将直接影响刻线位置精度, 从而影响光栅的波前质量。建立了刻划机阿贝误差与光栅衍射波前质量的物理模型, 并分析了该误差对波前质量的影响。针对该误差设计了一种基于双频激光干涉测量的阿贝误差测量光路, 测量了刻划机的阿贝误差, 根据物理模型对其导致的光栅衍射波前误差作了仿真分析, 并提出了基于双层工作台结构的误差控制校正方法。对两块尺寸为80 mm×100 mm、刻线密度为79 groove/mm的中阶梯光栅进行了阿贝误差校正前后的对比刻划实验。结果表明, 通过对阿贝误差的测量和校正, 光栅闪耀级次为-36级的衍射波前误差由0.529λ降低至0.159λ(λ=632.8 nm), 有效地降低了阿贝误差对光栅衍射波前质量的影响。

凹面衍射光栅兼具色散分光与光束聚焦功能, 同时具有像差校正、 低杂散光、 无鬼线和高信噪比等优势而受到光谱仪器领域的广泛关注。 衍射效率作为凹面光栅最重要的技术指标之一, 其测量技术水平逐渐成为光谱仪器行业最为关注的课题之一。 传统方法一般采用双单色仪结构实现凹面光栅衍射效率的测量, 该方法主要存在两方面问题, 一是测量标准反射镜和待测光栅的出射光谱带宽不同, 二是光栅叠级、 杂散光的影响; 上述问题的存在降低了高性能凹面光栅衍射效率测量的准确性。 本文提出了一种基于傅里叶光学原理测量凹面光栅衍射效率的新方法; 针对该方法建立了凹面光栅衍射效率测量的数学模型, 并采用光学追迹和傅里叶光学方法相结合对其进行了仿真分析, 从而验证了该方法的正确性; 针对动镜横移误差、 倾斜误差、 光源稳定性、 动镜运动距离误差等因素影响凹面光栅衍射效率测量精度的问题, 提出引入辅助探测器的方法来进一步提高衍射效率测量精度, 并对有无辅助探测器情况下的上述误差对衍射效率的影响进行了数学推导和仿真分析, 分析结果表明引入辅助探测器可以有效抑制了上述误差对凹面光栅衍射效率测量的影响。 对比传统双单色仪测量方法而言, 该方法不仅能够解决传统测量方法存在的问题, 同时还具有多波长同时测量、 高光通量、 高分辨率、 高波数精度等优势, 可以有效提高凹面光栅衍射效率的测量精度和测量效率。

为了提高全息光栅曝光系统的曝光对比度，抑制外部环境变化引起的曝光干涉条纹漂移，提出了一种移栅型干涉条纹锁定方法。采用分束光栅实现光源激光的分光及干涉条纹的相位调整。通过叠栅条纹间接测量干涉条纹相位变化，给出了双光电探测器的最佳探测位置。结合分光及相位调整功能，给出了分束光栅参数的设计方法。针对光栅曝光特点设计了控制器。从理论上对比了分束光栅与压电反射镜的相位调整性能。实验结果表明，采样频率为500 Hz时，干涉条纹的低频漂移得到有效抑制，相位锁定精度达到0.13 rad (3σ)，即条纹漂移量低于±0.021个周期。该方法可以实时有效地锁定曝光干涉条纹，提高曝光对比度。且分束光栅偏转对条纹周期影响小，相位调整性能仅与分束光栅参数相关，便于光路设计。

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求, 并应对实际应用中对仪器小型化、 轻量化、 高光学效率的新需求, 研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统, 采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积, 同时为平面棱镜提供准直光路, 并以宏编程的优化方式, 避免系统中光路干涉。 结果表明, 通过非球面反射镜和双校正透镜的设计, 该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm, 色畸变小于1.3 μm, 控制在18%像元内, 在400～1 080 nm可见—近红外（VNIR）工作波段的光学调制传递函数（MTF）均达到0.9以上, 光谱分辨率为1.6～5.0 nm, 光谱透过率在51.5%以上, 系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。