基于矢量理论的单级衍射光栅模拟

基于矢量理论的单级衍射光栅模拟

1、项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）；

衍射光栅是一种古老的光学元件，其发展历史可以追溯到200多年前。1785年，美国天文学家David Rittenhouse（1732-1796），观察到远处的光源透过手帕时可以产生衍射现象，他于是在两根距离为12.7毫米、由钟表匠制作的细牙螺丝之间平行绕上52根头发丝，在透过它观察暗室里百叶窗上的小狭缝时发现了光的衍射和色散现象，这就是世界上最原始的透射光栅。1821年，现代光栅理论的奠基人J.V. Fraunhofer(1787-1826)用细丝制作了透射光栅，并用金刚石在镜子表面刻划出反射光栅。他用光栅测量了光的波长，解释了衍射级次现象，并验证了光栅方程。1870年左右，美国的L. M. Rutherfued(1816-1892)制作出了860线/毫米的光栅，其分辨率超过了当时传统的色散工具棱镜。19世纪80年代，H. A. Rowland(1848-1901)发明了光栅刻划机，制成了优良的衍射光栅，建立了凹面光栅理论。R. W. Wood 发明了闪耀光栅，大幅提高了光栅的衍射效率。1947年，A. A. Michelson利用干涉仪实现了对光栅刻槽位置的精确控制，采用干涉伺服系统控制刻划机，提高了刻划精度，扩大了刻划面积。1949年，人们开始采用真空蒸镀复制光栅，制作的复制光栅的性能接近母光栅，光栅生产的效率和质量都大大提高，光栅的制作技术终于满足了科学技术的发展对光栅的需要，各种类型的光栅开始在各种仪上得到广泛应用。

衍射光栅问世使人们寻找到了新的分光与光谱分析技术手段，并使光谱分析技术在现代科学技术领域中的研究和应用得以向紫外、真空紫外、乃至极紫外和软X光波段得以自然延伸。

1960年，激光技术的诞生为光栅的制作开辟了新的途径。人们利用两束光相交时产生的干涉条纹对光敏材料进行曝光，形成光栅图形，光栅的间距由两束光的夹角和波长确定。

1972年，法国的Labeyrie和德国的Rudolph、Schmahl首次利用氩离子激光器和抗蚀剂制作出了全息光栅，制作出的光栅具有相当的稳定性和衍射效率以及良好的光谱分辨率。全息光栅的制作技术和光栅复制技术的发展使得衍射光栅迅速商业化。

经过200多年来的应用与技术发展，随着光谱学与光谱分析技术应用在现代科研生产各领域各行业的不断深入，光栅的研发、生产技术在国内外均得到了蓬勃发展。目前光栅主要用于物质的辐射特性，光与物质的相互作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远星体的温度、质量、运动速度和方向等方面的研究，因而在采矿、冶金、石油、燃化、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理（卫星观测）等方面得到广泛的应用，其生产和销售形成了一个巨大的市场。

不过由于传统的衍射光栅与生俱来地是一种多级衍射元件，存在高次谐波污染的问题，严重制约了其进一步的应用。衍射光栅作为单色器使用时，其高级衍射将不可避免的带来高次谐波污染，致使标定数据不准确，衍射光栅作为光谱仪使用时，其高级衍射谱将叠加在一级衍射谱上，形成所谓高级衍射干扰。故而，为了提高测量数据的置信度，人们寻求各种方法减小高次谐波的影响。

为了抑制或“消除”光栅的谐波污染的影响，人们通常要使用不同种类的滤片组合来抑制目标波长的高次谐波。在长波段（红外、可见光），由于目标波长与倍频波长之间波长间隔比较大，光学性质有较大差异，因而利用这种方法可以得到比较理想的高次谐波抑制效果。但是在短波长，尤其是在软X射线/极紫外波段，这种方法将很难得到满意的效果。这里的“难”包括两层含义：一方面很难寻找合适的滤片将目标波长基波与谐波成分分开（导致相关滤片价格昂贵、使用成本高），另一方面，由于软X射线/极紫外波段辐射的特殊性，任何材料的滤片均会导致对目标波长辐射较为显著的吸收，同时还可能引发其他效应，导致单色化光束品质的下降。另外，在测量光谱时，一块滤片仅对某一波长区域有效，不同的区域需要不同的插入件，这不仅增加了制造成本，也使谱仪结构变得复杂，更重要的是这会对测量谱线的精度造成很大的影响。

1998年，曹磊峰研究员由于在实验中遭遇高级衍射的困扰，萌生研制单级衍射光栅以

去除高级衍射的想法。2002年，项目组建立了基于二值化正弦光栅的单级衍射光栅技术基本理论，这种新型色散元件在具备传统衍射光栅功能的基础上，能够有效革除其不利的多级衍射特征。历经近十年的艰苦努力，在中国工程物理研究院激光聚变中心创新基金、国家自然科学基金面上项目和国家自然科学基金专项项目科学仪器研究专款的资助下，在先后攻克一系列技术难关之后，项目组在2005年研制出了世界上首块软X光谱学光子筛样品，第一次实现了X光色散元件的单级衍射。2006年又发明了之字形衍射光栅，同样实现了良好的单级衍射。随后又发明了高线对数X光单级衍射光栅、研制成功了“量子点阵衍射光栅”、高线对数X光单级衍射光栅样品。2010年，项目组发明了软X光谱学光子筛，研制成实用化器件，并应用于ICF研究、激光等离子体实验，最终形成基本完善和相对固化的X光单级衍射光栅理论体系和制作技术，实现了衍射领域的技术突破和革命。

不过，在前期的研究中，在各种类型的单级衍射光栅的模拟中使用的均为标量理论，即基尔霍夫理论和瑞利-索末菲理论，这两个理论都做了某些主要的简化和近似。最重要的就是把光当做标量现象来处理，而忽略其电磁场的矢量本性。但是我们知道，在电磁场中，电场和磁场的各个分量是通过麦克斯韦方程组耦合起来的，把它们当做标量独立地进行处理，势必会给模拟的结果带来一定的误差。

衍射是由光波的横向宽度受到限制而引起的，当限制的尺度与所用的辐射波长在一个量级时，衍射现象最显著。1665年，Grimaldi首次精确报道和描述了衍射现象。1678年光的波动说的第一位倡导者惠更斯迈出了试图解释这种效应的理论的发展过程的第一步：如果把光扰动的波前上的每一点看成是一个次级球面扰动的新波源，那么随后任意时刻的波前可以由作出次级子波的包络而得到。1804年，托马斯•杨引入了干涉这一重要概念。1818年菲涅尔在其著名的论文中融合了惠更斯和杨的想法，通过对惠更斯的次级波源的振幅和相位做一些相当任意的假设，并允许各个子波相互干涉，菲涅尔能以极高的精度计算出衍射图样中光的分布。

麦克斯韦在1860年把光等同于一个电磁波，这是对光的本性的理解的极其重要的一步。1882年基尔霍夫把惠更斯和菲涅尔的概念放在一个更坚实的数学基础上，他成功地证明，菲涅尔赋予次级波源的振幅和相位其实是光的波动本性的逻辑结论。基尔霍夫把他的数学表述建立在两个假定之上，这两个假定是关于入射到放在光传播途径上的障碍物表面上的光的边值条件的。可是，随后庞加莱于1892年、索末菲于1894年分别证明了这两个假定互不相