不同于国际上其他空间项目采用光栅切换的光谱获取方式，中国空间巡天望远镜采用近焦面拼接光栅的方式获取大视场、宽波段无缝光谱，波长覆盖范围为250～1000 nm，光谱分辨率R≥200。国内紫外透射衍射光栅的天文应用尚在起步阶段，制作难度高，且不能从国外获得。经过多年努力，光栅性能在近期获得了较大提升。本文针对紫外光栅的科学应用性能和使用条件，分析了衍射光栅制作参数的优化，给出了衍射效率随入射角、入射光偏振态以及光栅槽形结构参数的变化规律。相关数据对在轨流量定标具有借鉴价值。通过选用不同的光栅结构参数对衍射效率特性进行分析，发现了紫外光栅峰值波长与顶角投影在每个周期上的比值之间的近似线性表达关系。本文讨论了满足科学需求的参数许可域，并将其用于控制光栅制作参数。多次试验后，光栅槽形结构参数和形状得到了精确控制，获得了性能优异的衍射光栅。制作的光栅线密度为333 line/mm，闪耀角为12.51°，峰值效率波长控制在315 nm，紫外波段实测峰值衍射效率为72.3%，平均效率为65.1%。该光栅的槽形、波前质量等均控制在较高水平，衍射波前质量均方根(RMS)达到0.06λ，峰谷值(PV值)达到了0.33λ。采用该光栅可获得良好的成像质量。

提出一种基于波导理论的针孔点衍射波前分析方法。该方法将针孔作为圆形波导,采用解析法求解波导的模式进而得到针孔后端面电场分布;根据矢量衍射理论推导出衍射波前的远场分布,最后详细分析了针孔透光率、衍射波前的强度与相位。结果表明,波导边界条件使针孔后端面各电场分量旋转不对称,使像散成为衍射波前的主要像差。为使透光率大于0,针孔直径必须大于0.6λ(λ为波长),以保证针孔中存在满足波导传输条件的模式。衍射波前两电场分量振幅分布的不同使衍射波前强度分布不具有旋转对称性,两者的相位差使衍射波前成为椭圆偏振光。该仿真结果为点衍射干涉仪中针孔结构的设计提供了重要的参考。

基于多块光栅拼接理论,建立了光栅旋转角与衍射光束偏角关系的数学模型,设计了一种基于干涉法的光栅旋转角度检测光路,用Zygo干涉仪实现了光栅0级与1级衍射波前检测,并研究了反射镜安装误差引起的模型误差。实验结果表明,利用理论模型对光栅姿态在0~500 μrad内调整时,光栅间栅线平行度的最大相对测量误差为3.85%。而反射镜俯仰角和偏摆角在0″~20″变化时,所引起的光栅间栅线平行度的最大相对测量误差分别为4.99%和3.77%。

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。

中阶梯光栅是一种特殊的衍射光栅, 它以高的衍射级次和大的衍射角来工作, 具有高分辨率、 全波闪耀等特性。 已广泛应用于高端光谱仪器之中, 极大地促进了航天航空、 天文、 医疗、 **、 环境等尖端科技的发展。 但是专业的刻划系统需要定制, 价格昂贵。 使用已成熟的超精密加工设备来加工中阶梯光栅, 可以大大降低中阶梯光栅母版的制备成本。 超精密单点金刚石车床制备中阶梯光栅时, 系统直线度不好, 存在较大的累积误差, 导致中阶梯光栅衍射波前较差, 达不到制备要求。 为了减小超精密单点金刚石车床固有的直线度误差, 对超精密单点金刚石车床进行了误差补偿。 首先, 以累积误差曲线为依据进行第一次补偿。 实验结果表明, 当补偿系数为0.75～0.85时, 此时衍射波前的PV（峰谷值）值在约400 nm, 一次直线度补偿效果到达极限。 然后, 以闪耀级的衍射波前曲线为依据进行第二次直线度补偿, 二次补偿后的衍射波前PV值为约83 nm。 补偿后的结果表明衍射波前得到大幅改善, 有利于提高所制备光栅的质量, 在光栅实际刻划中具有指导作用。

为了最大程度减少误差环节，点衍射球面波前精度的干涉测量中通常采用无镜头测量方式。点衍射干涉波前在大数值孔径与大横向偏移量情况下存在的结构误差将严重影响测量精度，且无法利用传统方法加以校正。针对该问题，提出了一种基于三坐标重构以及对称偏移补偿的点衍射干涉波前测量中结构误差的高精度校正方法，以实现对大数值孔径及大横向偏移点衍射球面波前无镜头成像测量中的结构误差校正。该方法首先采用三坐标重构方法对系统误差进行预校正，再针对干涉中点源横向偏移引入误差存在的对称性，采用对称横向偏移补偿对由三坐标重构误差而引入的残余结构误差进一步校正。分别进行了数值仿真和测量实验对所提出方法的可行性进行了验证。结果表明，该方法达到了λ/10000的校正精度，对于点衍射球面波前高精度测量标定以及非镜头成像干涉检测中结构误差的高精度校正具有重要的应用意义。

光栅拼接法是目前制作大尺寸平面衍射光栅的重要方法之一，而拼接误差是评价拼接光栅是否能够使用的重要指标之一。实时定量测量拼接误差，能够实现对拼接误差的自动闭环调整，通过实时指导拼接提高光栅拼接的精度。建立了衍射波前与光栅拼接误差关系的数学模型，分析了干涉仪测量光栅拼接误差的原理，用ZYGO干涉仪实现拼接光栅0级及-1级衍射波前的数字化定量提取，分析并计算了拼接误差波前，得到五维拼接误差的数值解。利用拼接光栅-2级的衍射波前验证五维拼接误差结果的准确性，实验结果表明由0级、-1级、-2级拼接波前计算的拼接误差具有较好的一致性，为利用波前检测光栅拼接误差并实现自动化闭环调整提供了理论指导。

对光栅刻划机的进给导轨直线度误差做了系统的研究，推导了直线度误差对光栅衍射波面和杂散光的影响的计算公式，并且定义了干涉仪测量轴线到刻线始端这段距离为定位臂。得出以下结论：定位臂会放大进给导轨的直线度误差；光栅的衍射波前和杂散光强度主要受定位臂和导轨直线度大小的影响，若定位臂为50 mm，则水平方向直线度误差必须小于0.15″ ，若定位臂为10 mm，则水平方向直线度误差必须小于0.74″ ；与竖直方向的直线度相比，刻划机对进给导轨水平方向的直线度要求更高。理论推算与实验结果相符。

研制点衍射干涉仪时,小孔的形貌和装调误差会对衍射波前质量产生影响,故本文研究了采用相位复原对小孔衍射波前质量进行测评的方法。设计并搭建了衍射波前测试装置,对光纤衍射波前进行了测评实验。为了验证测试方法的有效性,分别对采集的衍射图像与重构的衍射图像,以及测试获得的振幅分布与理论计算获得的振幅分布进行了对比。结果显示。采集图像与重构图像之间的差异为0.32%,验证了采用相位复原技术进行衍射波前测试方法的有效性。同时,对干涉方法测量与相位复原结果进行了对比,二者差异仅为0.001 4λ RMS。

考虑机械刻划光栅刻线摆角对平面光栅衍射波前质量的影响，本文根据光栅机械刻划过程的特点，提出了一种单压电执行器调节方法。该方法可通过不断调节微定位工作台位移，实时修正工作台摆角导致的光栅刻线摆角误差。首先，推导出了微定位工作台位移实时修正公式。接着，采用三路干涉仪实现了微定位工作台摆角测量及其主要成分分析。最后，进行了光栅刻线摆角放大和校正实验。结果显示，摆角放大和摆角校正实验已基本达到了预期的效果，对光栅宽度为10.4 mm且刻线密度为600 line/mm的光栅进行修正后,光栅刻线摆角比校正前降低了64%以上。这些结果表明：采用单压电执行器方法对光栅刻线摆角进行实时修正可有效降低光栅刻线摆角，提高光栅质量；该方法可应用于大面积机械刻划光栅刻线摆角的修正。