近红外宽波段下的Czerny-Turner结构复合方法消像散设计

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足,提出了一种复合方法校正像散,即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时,加入柱镜,利用柱镜的相反像散变化趋势,进一步补偿光学系统的剩余像散,推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法,设计了1个近红外900~1700nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明,全波段全视场均方根(RMS)值均小于14μm,调制传递函数(MTF)达到0.7以上,全波段的光谱分辨率为1.5nm。保证了在高光谱分辨率的情况下,实现了近红外800nm宽波段像散的同时校正,避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计,对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。     

基于离轴三反光学系统的高分辨率中阶梯光栅光谱仪

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪.首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号.然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正.最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400～900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm.     

宽谱段改进型Wadsworth光栅型成像光谱仪光学设计

针对传统的Wadsworth光学系统无法应用于宽谱段高分辨率成像光谱仪的情况,给出了一种改进的光学系统方案。通过在Wadsworth系统中加入柱面镜的方法,改变了子午和弧矢方向成像聚焦距离。在对像散和光程分析的基础上,计算获得了改进型Wadsworth成像光谱仪光学系统的最优成像条件,即柱面镜的最优放置位置、最优倾斜角和最优楔角。以一个工作波段为400~800nm的改进型光学系统设计实例,对设计理论进行了验证。设计结果表明系统具备良好的光学成像质量,探测器在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值达到0.57以上,光谱分辨率达到1.6nm,实现了对Wadsworth系统的有效改进。     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计

在极紫外波段对太阳进行超光谱成像观测是研究太阳上层大气,日冕中等离子物理特性的重要手段。依据太阳极紫外成像光谱仪的应用,结合国内外极紫外成像光谱仪发展现状,制定了太阳极紫外成像光谱仪的性能指标。通过比较各种光学结构的优缺点,选择望远镜与光谱仪组合的结构。讨论并选择了可用的基本元器件,望远系统采用离轴抛物面反射镜,分光器件为高密度超环面等间距光栅。设计出符合指标的光学系统。最后给出了太阳极紫外成像光谱仪的设计过程、详细参数与结果。光学系统的工作波段为17.0～21.0nm,视场是1 228″×1 024″,空间分辨率达到0.8arcsec.pixel-1,光谱分辨率约为0.001 98nm.pixel-1,系统总长度约为2.8m。     

二维全谱高分辨中阶梯光谱仪光学系统设计

传统的罗兰圆光谱仪和Czerny-Turner型光谱仪常常采用刻线密的光栅和大的成像焦距,来提高其光谱分辨率,其结果导致成本高和仪器体积庞大。为了克服这一缺点,提出了一种中阶梯光栅和低色散棱镜相结合的光谱仪光学系统设计方法。具体分析了中阶梯光栅的基本原理和使用方法,给出设计基于中阶梯光栅的光谱仪基本步骤,并且实际设计了基于中阶梯光栅的高分辨光谱仪光学系统,焦距为400 mm,可在全谱工作波段180~800 nm成二维光谱。Zemax光学设计软件对光学系统进行光线追迹结果表明,该系统环围能量在单个CCD像素(24 mm×24 mm)内达到50%~70%以上,200 nm处分辨率可达0.00675 nm,完全满足设计指标要求。     

一种成像光谱仪前置物镜的设计

未来的成像光谱仪要求其光学系统在宽视场和宽波段范围内有高的空间分辨率和光谱分辨率。提出了一种无遮栏三反射镜系统的设计方法。所设计的三反射镜消像散系统包括两个非球面凹反射镜和一个凸球面反射镜。系统的视场角可达到5°,并实现了平场、远心光路的设计,可满足大视场高分辨成像光谱仪前置物镜的使用要求。     

宽谱段成像光栅光谱仪消偏器的设计

随着宽谱段高分辨率光谱仪在海洋空间遥感领域的广泛应用,其前置消偏器的设计要求越来越高。为满足成像光谱仪的要求,利用矩阵光学的原理,对应用最为广泛的Lyot消偏器,从残余偏振度的公式出发,对其与晶体楔角和厚度的关系进行数值分析,结合残余偏振度和光学系统分辨率的要求提出了用于宽谱段光谱仪消偏器参数的设计方法。运用该设计方法对400~950nm宽谱段成像光栅光谱仪消偏器进行设计,在全波段范围内,光谱分辨率为4nm时,对任意偏振态的线偏光,消偏器的出射光的残余偏振度均小于2%。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

近红外微型光谱仪光学系统设计与模拟

基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C-T结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案。采用ZEMAX软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析。最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1 700 nm,分辨率<10 nm,谱面展宽为12.74 mm,F数为8.128 388,系统体积为51.26 mm×41.81 mm×22 mm。     

高光谱分辨率紫外平场光谱仪的研制

光栅作为一重要的分光元件,广泛应用于各类光谱仪,其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用,一次实现宽光谱范围的记录。商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数,而不会提供光栅具体的变线距参数,并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。使用者往往只需要其中的一部分波段。针对这种情况,根据球面平场光栅聚焦、分光原理,利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。并给出了利用这些参数,根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪,覆盖光谱范围230~280 nm。采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,使用波段为170~500 nm。推导了该光栅的变线距参数,并针对230~280 nm波段对CCD的安装位置进行了优化。同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。波长标定采用参数拟合法,整个波段范围内的标定精度优于0.01 nm。光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08 nm@280.20 nm。     

基于Fabry-Perot腔阵列的集成化微型光谱仪方案及模拟

提出了一种微型光谱仪,该微型光谱仪基于法布里-珀罗腔滤波性的阵列式微型光谱仪。其基本结构是在硅基底上实现多个不同腔长的阵列,从而实现对多个波长的监测。探测单元即为一个法布里-珀罗腔,由硅基底-金属薄膜-二氧化硅层-金属薄膜构成。进行了相应的模拟计算,结果表明在基本结构为铝膜(14 nm)-SiO₂-银膜(39 nm)的情况下,通带半宽度可达到15 nm,单个探测单元面积仅为0.14 mm×0.14 mm即可达到微型光栅式光谱仪(最小体积在cm量级)的光通量,整个光谱探测部分体积仅在mm量级。该微型光谱仪设计尺寸在几个mm的量级、无活动部件,可以同时对多个波长进行检测,并可望利用现有IC加工手段实现光谱仪传感器化。     

折射率正负梯度交替表面的研究

利用不均匀材料提出了一种折射率正负梯度交替表面, 并利用几何光学法和电磁场数值仿真方法对其机理进行了研究与验证, 发现其可以操控电磁波的传播: 在一定的参数下, 其可以将空间中的入射电磁波一直束缚在介质中, 或在介质中传播一定距离后再实现电磁波的释放; 同时该结构具有宽带、极化无关等特性. 利用该结构可引导能流, 减小后向散射截面, 可用作隐身表面.     

宽带减反射膜的一种简便设计方法

本文根据等效界面和等效光纳概念,推导出宽带减反膜的减反射限定公式。研究表明,按限定公式确定的折射率参数可有效地进行规整膜厚的三层宽带减反膜设计。     

K9基片的亚表面损伤探测及化学腐蚀处理技术研究

 研究了几种类型的腐蚀液对K9基片化学腐蚀的影响。通过腐蚀液对基片纵向腐蚀速度的变化初步判断了K9基片重沉积层的深度。考察了腐蚀前后基片表面参数的变化以及腐蚀对激光损伤阈值的影响。研究表明，特定的腐蚀液能够对K9基片进行平稳可控的腐蚀，并且腐蚀能提高其激光损伤阈值，其主要原因是去除了重沉积层及表面、亚表面缺陷中的污染物,但过多的腐蚀会暴露本来为重沉积层所掩盖的划痕等亚表面缺陷，所以腐蚀并非越深越好。同时，表面各种杂质与缺陷的去除能够提高材料的机械强度，从而也有利于提高材料的激光损伤阈值。     

铒镱共掺锂硅酸盐玻璃的光谱性质

用高温熔融法制备了Er3+∶Yb3+共掺的锂硅酸盐玻璃,在室温下,用976 nm半导体激光器泵浦该掺铒玻璃,在1550nm波段实现强的荧光发射,中心波长为1.5399μm,荧光半宽高为57.4nm.研究结果表明,锂硅酸盐玻璃系统能接受非常高的Er3+、Yb3+掺杂率,有较宽的荧光线宽,且具有良好的化学稳定性和热稳定性,是光纤放大器用理想的候选材料.     

一种Offner型小型短波红外成像光谱仪

通过对Offner分光光学系统分析,给出了快速计算初始结构参数公式,根据算得的初始结构参数优化出一套适用于短波红外(1 000～2 500 nm)的分光光学系统,设计的光学系统相对孔径大(F/#2.2)、光谱分辨率高(优于10 nm)和入射狭缝长(12 mm),在整个波长和视场范围内调制传递函数MTF均大于0.5。完成的成像光谱仪整机体积小,重量轻(小于5 kg),仪器测试结果表明,全光谱范围内光谱线性好,光谱标定后波长精度优于4 nm, 通过对不同波段分辨率测试,全波长范围内光谱分辨率与设计相符,动态成像实验表明, 光谱图像清晰并且光谱数据质量佳。     

50 nm分辨力极端紫外光刻物镜光学性能研究

极端紫外光刻 (EUVL)作为实现 10 0～ 32nm特征尺寸微细加工的优选技术 ,其光刻物镜的光学性能是实现高分辨图形制作的关键。利用光学设计软件CODEV对 6枚非球面反射镜构成的光刻物镜设计和光学性能分析 ,其分辨力可以实现 5 0nm ,曝光面积为 2 6mm× 1mm。结果表明 ,光学性能对曝光场点的依赖关系。在全曝光场中进行了光学性能分析 ,其最大畸变为 3.77nm ,最大波面差为 0 .0 31λ(均方根值 ) ,该缩小投影物镜完全可以满足下一代极端紫外光刻机的性能要求     

基于λ/4相移分布反馈半导体激光器四波混频的THz波长转换特性研究

利用耦合模方程，分析了基于λ/4相移分布反馈半导体激光器四波混频的波长转换特性.数值模拟表明：增大偏置电流、减小失谐量有利于扩展转换效率及消光比的动态范围，同时恶化了频率啁啾的动态范围; 受激射效应影响，消光比及频率啁啾在弛豫振荡频率处达到极大值.通过合理选择系统参量，可以获得较理想的波长转换效果.该方案无需抽运光输入，可实现高速、宽带波长转换，在光通信系统中有一定的应用前景. 关键词： λ/4相移分布反馈半导体激光器')" href="#">λ/4相移分布反馈半导体激光器 四波混频 波长转换     

基于全息光学元件的光纤光谱仪的光路设计

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质,包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性,并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础,设计了光谱仪器光学系统的各个参数,通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化,得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm,记录光束之间的夹角为10,一束为平面波,一束为球面波,焦距40 mm,使用+1级衍射光,光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm,体积140 mm*30 mm*40 mm,谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路,利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件,针对汞灯光谱进行了试验,光谱分辨率优于8 nm,测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致,表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。