共振非弹性散射(RIXS)是一种研究分子、材料的电子结构的X射线光谱技术，其对光源、光谱仪都有着极为苛刻的要求。掌握先进RIXS光谱仪设计思想、使用方法、性能等对未来研究均具有重要意义。通过探究其设计思想，从光程函数理论方式出发并计算变间距光栅参数，逐一分析各像差项对最终成像结果影响；开发可见激光的非接触式测量方式测量电机编码与光谱仪部件角度关系，并验证该方式的有效性；在同步辐射实验站直接使用同步辐射X射线，对光谱仪成像分辨率进行标定，掌握光谱仪工作性能；最终将SHADOW模拟数据与实际探测数据进行对比，表明光谱仪安装调试满足设计及实验要求。

利用柱面波与平面波干涉形成一种二维(2D)全息聚合物分散液晶(H-PDLC)变间距光栅。为了使聚合物与液晶分离得更加彻底，采用曝光强度为16 mW/cm2、波长为532 nm的激光进行实验，并且两次曝光时间分别为2 s和60 s，通过将样品二次曝光和旋转60°形成2D六角晶格H-PDLC变间距光栅，分别研究了光栅的理论周期变化范围、衍射特性、电控特性以及影响光栅周期变化的参数分析。结果表明：在半径为6 mm的圆形范围内，光栅的周期变化区间为1.804~2.281 μm，与理论计算所得结果基本一致。在没有加载电压的情况下，一级衍射效率达18.3%，当加载电压达到90 V时，零级衍射效率由15.6%增加至73%。该光栅具有变周期和电控特性，在衍射光学领域具有潜在的应用价值，可用于染料掺杂2D H-PDLC光栅的可调谐多波长有机激光器的研究。

随着对太阳等离子体活动物理过程研究的深入，对太阳极紫外成像光谱仪的性能要求越来越高，而设计高性能太阳极紫外成像光谱仪的一个重要方法就是应用变间距光栅。提出了一种应用全息变间距光栅的太阳极紫外成像光谱仪的设计方法：首先设计系统的初始光学结构，然后根据全息变间距光栅光程差原理，利用1stopt软件的通用全局优化算法计算出像差小的光栅，最后用Zemax软件对整个系统进行建模与优化。给出了设计实例，设计出的太阳极紫外成像光谱仪工作波长范围为17~21 nm，视场为2400″，空间分辨率为0.6″，光谱分辨率为0.00225 nm/pixel，长度约为2 m。在光谱范围内，空间方向与光谱方向的均方根半径以及截止频率范围内的调制传递函数均满足要求。

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境, 设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构, 入射光掠入射进入系统, 具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜, 成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600 lines/mm变间距光栅, 与超环面等间距光栅相比, 具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0 nm, 可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″, 空间分辨率达到0.8 arc second/pixel, 光谱分辨率约为0.001 98 nm/pixel, 总长度不超过2.5 m.计算了望远系统的理论有效面积, 给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲, 均满足实际应用要求.

采用对单缝衍射结果进行直接叠加和根据标量衍射理论进行严格积分的两种方法进行推导, 分析平面变间距光栅的夫琅禾费衍射场光强分布.在光栅各周期狭缝宽度δ 0 相差不大时两种方法得到的光强分布差异不大; 但当δ 0 变化较大时, 虽然零级衍射中心重合, 但是在其他级次, 如一级衍射极大的光强在峰值大小和位置上都表现出明显的差异.文中还通过变间距光栅的实例和matlab数值模拟进行分析, 根据标量衍射理论通过严格积分将能给出更为普适的结果.在此基础上, 联系平面变间距光栅夫琅禾费衍射场的光强分布, 对这类光栅的位移传感和自聚焦特性做了介绍.

为了评价光栅的光谱质量，完成所设计光栅的光线追迹，针对机械刻划光栅的光线追迹提出了一种改进方法。在费马原理的基础上利用光程函数法得到入射光通过光栅后的光谱分布情况，再使用传输矩阵的计算方法构造出光谱的点列图。该方法适用于刻划在平面、球面和非球面基坯上的等间距和变间距光栅，光栅的光谱面可以为平面或者二次曲面。 通过刻划在非球面基坯上的凹面光栅验证了光线追迹方法的可靠性。

基于变间距光栅位移传感器的基本原理,研究了高线密度变化率全息平面变间距光栅的制作方法.所作的变间距光栅已应用在变间距光栅位移传感器中,原理样机测试结果表明,系统分辨率可以达到0.05 mm,相对误差可以控制在0.2% FS之内,优于设计指标.

提出了一种制作曲面变间距光栅的方法.首先在平面基片上制作光栅,然后通过一种高分子材料(PDMS)作为载体将光栅转移到曲面上,而事先涂在曲面上的混合溶胶-凝胶取代了传统的光刻胶,使得光栅的制作效率大大提高.采用这种方法在曲率半径为100 mm的凹球面基底上制作了平均线密度为80 l/mm的光栅,并用环境扫描电镜以及数字图像处理法检测了光栅的线密度分布.检测结果表明:光栅质量好,条纹清楚,衍射效率也没有降低.所制曲面光栅具有平面光栅和透镜两种光学器件的功能,可用曲面变间距光栅一种光学元件取代透镜和平面光栅两种光学元件,简化了光路,提高了制作效率,降低了成本.

简述了全息变间距光栅的几何理论,研究了不同记录参数情况下的刻线弯曲程度.给出了用于评价光栅刻线弯曲程度的表达式,并推导出了它的积分形式,使计算效率提高了2～3倍.结果表明:球面波与非球面波干涉得到的光栅线条并不一定比球面波干涉得到的线条要平直.

计算发现, 当平焦场光栅光谱仪的光源位置任意变化时, 总能通过改变光栅的入射角, 保持光谱焦平面到光栅的距离基本不变。 以此为依据提出了平焦场光栅光谱仪的新用法, 使得该谱仪使用灵活, 适应性强, 在极紫外和软X射线光谱学的有关实验中发挥更大的作用。 谱仪的摄谱范围在5～40 nm之间。