一个通用激光波长测量系统

本文报道了一个可测量连续与脉冲激光波长的通用激光波长测量系统.系统主要包括一台光栅光谱仪和一台光学多道分析仪.运用低密度光栅并工作在高衍射级次,在输出谱面处He-Ne激光线和被测激光谱线的间距由光学多道分析仪的列阵实时读出,激光波长由个人计算机给出,精度达 0.01.文中给出对精度的分拆.     

基于可调偏振度源的PSIM偏振光谱仪线偏振度测量结果定标校正

提出了一种基于可调偏振度源的偏振定标方法,利用方法完成了基于偏振光谱强度调制(PSIM)技术偏振光谱仪的线偏振光偏振度测量结果定标校正。以可调偏振度源输出的不同偏振度的线偏振光作为待测光源,用PSIM偏振光谱仪测量待测光源输出得到原始数据。将原始数据解析处理得到的偏振度谱与待测光源输出的理论偏振度谱进行线性拟合,得到校正系数。利用该校正系数对PSIM偏振光谱仪的测量处理结果进行定标校正。结果表明:在有效测量波段内(500~650nm),定标校正后PSIM偏振光谱仪的线偏振度测量解析精度明显提高,与待测光源输出的标准偏振度值间的最大误差由0.017减小到约为0.003,基于可调偏振度源的偏振定标校正方法具有可行性。     

真空紫外光栅光谱仪测量系统的改进

用一个５０ｍｍ长微通板代替光谱仪通用的电这道倍增器，若用１００μｍ出入缝，测量高离化态氖离子的真空紫外光谱，大约１０ｎｍ的波长区段，谱线分辨好于０．１ｎｍ，计数效率提高了两个量级，滤长精度可达０．０１ｎｍ。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

激光外差光谱仪的仪器线型函数研究

激光外差是一种基于相干探测原理的高灵敏度光谱检测技术,因其同时具有很高的光谱分辨能力,被广泛应用于诸多研究领域.在光谱测量过程中,仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用,会对气体浓度的反演结果产生影响.为了获取激光外差光谱仪的仪器线型函数,基于激光外差原理和信号处理过程,对影响仪器线型函数的射频滤波带宽和积分时间等参数进行了分析,获得了仪器线型函数表达式.利用自行建立的激光外差光谱仪,多次测量了3.53μm波段内水汽、甲烷的吸收谱线,分别将射频滤波频域响应函数和本文获得的仪器线型函数耦合进水汽、甲烷柱浓度的反演.结果表明,射频滤波带宽为30 MHz、积分时间分别为10 ms和100 ms时,光谱仪的实际分辨率分别约为0.005 cm~(-1)和0.025 cm~(-1);使用仪器线型函数对积分时间为100 ms时测量的数据进行反演,透过率残差平方和与甲烷吸收峰值处的残差分别减小16%和100%,提高了气体浓度反演的准确度.     

发光二极管光谱测量中的杂散光与带宽校正

光谱仪的杂散光和带宽是LED光谱测量中比较重要的两个误差影响因素,为了得到更精确的测量结果,必须对杂散光和带宽影响进行校正.用He-Ne激光测出光谱仪的线扩展函数,在假设光谱仪是线性波长不变系统的前提下,构建杂散光分布函数矩阵,转化为杂散光校正矩阵,从而对所测信号进行杂散光校正;在三个波段内分别由光谱仪带宽函数计算带宽校正系数,将被测波长点及其邻近带宽波长点上的测量结果进行加权平均,从而得到带宽校正结果.将两种校正方法应用在一台多通道快速光谱仪上,测量各种颜色的LED,实验结果表明能有效地校正杂散光和带宽影响,色品坐标最大校正了(-0.003,0.007).且该方法降低了应用成本,在保证精度的情况下简化了计算量,使得校正更易于实施.     

傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究

为了提高傅里叶光谱仪光谱定标精度，减小光谱定标误差，基于风云四号大气垂直探测仪实验室气体池光谱定标数据，进行傅里叶光谱仪高精度光谱定标算法研究。首先，分析了傅里叶光谱仪的分光原理，并在对参考激光波数漂移、光线离轴、以及有限视场引起光谱波数偏移的原理进行分析后，得出傅里叶光谱仪光谱定标公式及定标参数的计算方法；接着分析了快速傅里叶变换(FFT)的栅栏效应和干涉图截断产生的sinc函数造成的光谱定标误差较大的原因；然后通过对比几种不同的光谱细化方法，选择高效的快速Chirp Z-transform(CZT)进行光谱细化，解决FFT光谱分辨率较低导致光谱误差较大的问题；通过对气体池参考气体在HITRAN数据库中的理论谱线，用Gaussian线型展宽并卷积sinc函数处理后作为光谱定标参考谱线的方式，减小由sinc函数引起的谱线间串扰造成的光谱定标误差，从而提高光谱定标精度。最后，使用实验测得的数据对该光谱定标算法进行验证，对比使用CZT细化光谱前后定标误差，和参考谱线处理前后的定标误差，证明该算法可以有效提高光谱定标精度，最高可将光谱定标误差减小10倍以上。     

积分光谱法测量塑料薄膜厚度研究

在谱带朗伯定律概念的基础上,通过分析光束在透过塑料薄膜时光强所发生的变化,提出了谱带积分透过率定义并建立基于谱带积分透过率的薄膜厚度测量模型。采用不同厚度的聚丙烯薄膜作为实验对象,使用光谱仪测量了其光谱透过率。按上述模型拟合了薄膜厚度与谱带积分透过率关系式。使用500K理想黑体,分析了基于此方法研制新型宽谱带塑料薄膜厚度在线检测装置的可行性。实验结果表明:使用积分光谱法可以较高精度的测量塑料薄膜厚度。基于此方法研制的塑料薄膜厚度在线检测装置,有望解决使用双单色光对比法测薄膜厚度时存在的准确性低、通用性差的问题。     

光源的偏振态对动态光散射颗粒测量结果的影响

研究了在动态光散射纳米颗粒测量中,光源的偏振态对测量结果的影响。采用了粒径为100nm、体积浓度为0.5%的标准颗粒作为样品,使He-Ne激光通过起偏器得到0°～180°方向的偏振光,测量了散射光强、偏振度和粒径测量值的变化,计算了相应的粒径均值偏差和标准差,并将这一结果与无偏振He-Ne激光入射进行了比较。结果表明,当入射光为线偏振光时,偏振方向垂直于散射面时测量效果最好;另一方面,由于颗粒系散射迭加造成的散射光偏振度降低,使线偏振光源与无偏振光源产生的散射光偏振度无明显差别,证明在测量中可以使用无偏振He-Ne激光代替。     

光栅扫描光谱仪参数的研究

光栅扫描光谱仪的入射光线和出射光线的方向是固定的，在光栅转动下进行分光，这与光栅不动而入射光方向改变的分光方法不同。由光栅方程出发，计算出电脑自动控制多光栅转动的光谱仪测试系统的角色散率、线色散率和分辨本领，得出光栅扫描光谱仪的角色散率、线色散率和分辨本领等参数公式。所得结果与光栅不动而入射光方向改变的光谱仪的角色散率、线色散率和分辨本领不同。这为光栅扫描光谱仪的使用和研究提供了理论依据。     

基于时变功率谱的激光器调谐瞬时线宽测量方法研究

半导体激光器的线宽通常采用激光外差测量技术,通过差拍信号的功率谱密度函数来确定,受傅里叶变换方法的限制,得到的均是在一定时间段内的静态平均线宽。为了获得半导体激光器在电流调谐过程中的瞬时线宽特性,提出了利用时变功率谱获知调谐瞬时线宽的相干和非相干测量方法,并分别进行了理论分析和实验验证。首先对半导体激光器输出光信号及差拍信号进行了时间-频率域下的数学描述,确定了时变功率谱与调谐瞬时线宽的关系;其次,针对差拍信号的趋向性特征,提出了趋势局部均值分解方法,并研究了利用分解出的乘积函数建立差拍信号及激光器输出光信号的时变功率谱的方法;最后利用非相干和相干测量法分别获得了分布反馈式半导体激光器在50~51及50~100mA锯齿波电流调谐过程中的瞬时线宽。     

级联三能级系统中五阶极化拍频的理论研究

本文从理论上系统地研究了由于五阶极化强度间的干涉所导致的级联三能级系统相位共轭超快调制光谱学。 它对激光绝对频率的测量可达到与激光线宽同一量级的精度。 无论泵浦光束为窄带线宽或宽带线宽,它对能级差测量的总体精度仅仅取决于光学跃迁的均匀增宽,而与激光线宽和多普勒增宽无关。     

A Fourier transform Raman spectrometer with visible laser excitation

We present the development and performance of a Fourier transformation (FT)‐based Raman spectrometer working with visible laser (532 nm) excitation. It is generally thought that FT‐Raman spectrometers are not viable in the visible range where shot noise limits the detector performance and therein they are outperformed by grating based, dispersive ones. We show that contrary to this common belief, the recent advances of high‐performance interference filters makes the FT‐Raman design a valid alternative to dispersive Raman spectrometers for samples which do not luminesce. We critically compare the performance of our spectrometer to two dispersive ones: a home‐built single channel and a state‐of‐the‐art charge coupled device‐based instruments. We demonstrate a similar or even better sensitivity than the charge coupled device‐based dispersive spectrometer particularly when the laser power density is considered. The instrument possesses all the known advantages of the FT principle of spectral accuracy, high throughput, and economic design. We also discuss the general considerations, which helps the community reassess the utility of the different Raman spectrometer designs. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式（DFB）光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器（ECDL）线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔（F-P腔）结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%）的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷（PZT）和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。     

自由电子激光辐射频谱测量

文章描述了在环形电子束和实心电子束自由电子激光(FEL)研究中,测量辐射频谱使用的两种方法——波导色散线和带通滤波器谱仪。介绍了测量系统的组成和特点,给出了测量结果:环形束FEL试验。辐射频率在27—38GHz内可调:实心束FEL试验,辐射频谱带宽～1.2GHz。     

An etched multilayer as a dispersive element in a curved‐crystal spectrometer: implementation and performance

Etched multilayers obtained by forming a laminar grating pattern within interferential multilayer mirrors are used in the soft X‐ray range to improve the spectral resolution of wavelength dispersive spectrometers equipped with periodic multilayers. We describe the fabrication process of such an etched multilayer dispersive element, its characterization through reflectivity measurement and simulations, and its implementation in a high‐resolution Johann‐type spectrometer. The specially designed patterning of a Mo/B₄C multilayer is found fruitful in the range of the C K emission as the diffraction pattern narrows by a factor 4 with respect to the non‐etched structure. This dispersive element with an improved spectral resolution was successfully implemented for electronic structure study with an improved spectral resolution by X‐ray emission spectroscopy. As first results, we present the distinction between the chemical states of carbon atoms in various compounds, such as graphite, SiC and B₄C, by the different shape of their C K emission band. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

高谱分辨X光能谱诊断技术

 采用国内首次研制出的2 000线/mm的自支撑透射光栅配上背照射软X光CCD(charge coupled device)组成了高谱分辨透射光栅谱仪。通过实验标定和理论模型计算相结合得到了高线对透射光栅的绝对衍射效率；同时建立了透射光栅谱仪测谱解谱方法，编制了相应的解谱程序。在“神光”激光装置上利用该谱仪通过激光打靶实验获得了金腔靶注入口发射的X光能谱定量实验结果，实验结果表明，该谱仪测谱范围在高能区达到6 000eV,谱分辨达到0.1nm，能够清晰地分辨金等离子体M带三峰分布X光谱结构。