棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光学设计

设计了一种基于棱镜-光栅-棱镜(Prism-Grating-Prism,PGP)分光器件的新型成像光谱仪.论述了此成像光谱仪的工作原理和结构形式,包括PGP、准直物镜和成像物镜的设计要求.PGP元件中采用体积相位全息透射光栅,可以获得高的衍射效率,并且能与棱镜较好地胶合.给出了此成像光谱仪的设计结果,其光谱范围为400～800 nm,像元光谱分辨率约1.6 nm,系统长度为85 mm.     

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计

为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜（PGP）结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置。系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统。光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差。根据实际指标探测器像元尺寸为20 m20 m,像元数为512512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm10.2 mm,波段在400 nm~800 nm,物方数值孔径为0.15。分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论。分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3 nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm。     

短波红外棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光学系统设计

提出了一种基于棱镜-光栅-棱镜分光器件的短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由离轴三反射式望远物镜、准直镜、棱镜-光栅-棱镜和会聚镜组成,光谱覆盖950～2 500 nm,空间视场达到22.5°.在实现宽视场、宽波段设计的同时,优化设计了棱镜-光栅-棱镜分光器件的各个参量.通过偏斜会聚镜光轴和棱镜-光栅-棱镜光轴在光谱维...     

消谱线弯曲棱镜-光栅型成像光谱仪设计

针对平面光栅和棱镜成像光谱仪难以校正谱线弯曲的问题,提出了利用棱镜-光栅(P-G)组合分光元件并结合系统物镜畸变校正谱线弯曲的方法。分别计算了棱镜和光栅产生的谱线弯曲以及P-G组合元件产生的光谱弯曲,分析了棱镜和光栅的谱线弯曲特性,并基于此设计了P-G组合分光元件和消谱线弯曲成像光谱仪结构。通过优化设计得到光学系统的光谱分辨率高于2nm,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,系统谱线弯曲和光谱弯曲小于2μm。证明了P-G组合元件结合系统物镜畸变可补偿校正整个工作波段的谱线弯曲和光谱弯曲。最后的设计结果表明,基于P-G分光元件的成像光谱仪系统在满足像质要求的前提下,谱线弯曲小于1/4像元尺寸,满足使用要求。     

星载高分辨率超光谱成像仪分光方式的选择

从多个方面分析了棱镜和光栅色散分光的优缺点,分析结果表明棱镜更适于星载高分辨率超光谱成像仪的分光。在透过率方面,棱镜光谱仪透过率高达95.24％(VNIR),而光栅的衍射效率仅为60%~70%。在杂散光方面,棱镜光谱仪的杂散光可达10－4,而光栅的杂散光为10－2。在0.4 －2.5 范围,棱镜光谱仪相对光栅光谱仪有优越性。在色散线性方面,光栅光谱仪基本线性,棱镜光谱仪的短波非线性问题可通过复合棱镜进行补偿。可靠性方面,棱镜光谱仪较光栅光谱仪有优势;在光谱带宽和成本方面,棱镜光谱仪与光栅光谱仪基本接近。     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

棱镜-光栅组合色散型超光谱成像系统的优化设计

大视场、超光谱分辨率、高空间分辨是光谱成像仪的发展方向,谱线弯曲和色畸变的抑制则是二维谱图信息准确提取的前提。提出了一种棱镜-光栅光谱成像结构形式,并采用矢量方法构建了棱镜-光栅组合色散元件的数学模型,优化了分光模块的结构参数,基于此组合色散元件设计了一个具有近直视光路结构的超光谱成像仪光学系统。该系统光谱范围为400~800nm,入射狭缝长为14mm,F数为2.4,其光谱分辨率达0.5nm,调制传递函数(MTF)在探测器奈奎斯特频率68lp/mm处均大于0.7,谱线弯曲和色畸变均小于1μm,低于单个像素的13.5%。     

Sinc切趾布拉格光栅谱合成特性

 谱合成是获得高功率激光输出的有效方法。反射布拉格光栅衍射旁瓣是影响谱合成效率的主要因素。建立了sinc切趾布拉格光栅谱合成理论模型,采用传输矩阵法,分析了光栅参数对切趾光栅衍射特性的影响,以及入射光束光谱宽度和发散角对谱合成效率的影响。计算结果表明：sinc切趾布拉格光栅可有效抑制衍射旁瓣的影响,其一级衍射旁瓣和二级衍射旁瓣的峰值分别由62%和36%下降为0.57%和0.12%。通过优化光栅参数,利用sinc切趾布拉格光栅可实现窄光谱间距、高谱合成效率的多光束谱合成。切趾后,在10 nm的带宽内,参与谱合成光束的数目由7束增加为25束。对于波长为1 064 nm和1 064.4 nm的两束光谱合成,当入射光束光谱宽度小于0.15 nm,且发散角小于0.8 mrad时,谱合成效率达90%以上。     

超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性

为了确定超光谱成像仪热控指标和开展热设计,研究了超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性。介绍了超光谱成像仪的工作原理以及热光谱特性的含义,分析了棱镜的环境热效应,论述了棱镜热光谱特性研究内容及技术路线,推导了温度变化时棱镜偏转角以及角色散的函数关系,进一步得到光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律。借助有限元分析,比较了K9、熔石英两种材料的棱镜的入射角、顶角、材料色散、光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律,确定了棱镜的热控指标,并设计了热光谱试验。理论分析和试验结果表明由于热变形引起的光谱带宽和光谱分辨率改变可以忽略不计,光谱平移主要由材料折射率温度系数决定;棱镜材料色散(dn/dλ)对温度变化不敏感,因此温度变化对其光谱带宽影响不明显; 本文研究方法合理,结果可信,对确定棱镜的热控指标和优化热设计具有指导意义。     

局域体全息光栅衍射的平面波与柱面波的波前转换研究

利用一维耦合波理论研究了入射方向相互垂直的一束平面波与一束柱面波干涉形成光折变局域体全息光栅的波前转换情况。给出了透射波和衍射波振幅的解析表达式。讨论了该局域体全息光栅的几何尺寸以及全息透镜的焦距对光栅衍射效率的影响。结果表明,随着光栅横向尺寸的增加,光栅的衍射效率也逐渐增加。然而,光栅的衍射效率却随着光栅纵向尺寸的增加而减小。全息透镜的焦距越长,光栅的衍射效率也越大。此外,分析了光栅的布拉格选择特性,该光栅具有非常好的角度选择特性。在平面波与柱面波干涉形成全息透镜的设计中,为了获得最优的衍射效率,应当根据要求合理地选择记录所用柱面波和设计光栅的几何尺寸。     

利用一块相位掩模和两块棱镜改变光纤光栅的写入Bragg波长

一种相位掩模干涉仪被用于写入不同的Bragg波长的。在该系统中,光纤光栅是由来自两可旋转棱镜所形成的紫外干涉条纹写入的,其中,相位掩模被用作&;#61617;1级衍射光的分束器。并且,当两块顶角由相位掩模的&;#61617;1级衍射角和棱镜折射率确定的棱镜的底部相互平行放置时,该相位掩模给出了Bragg波长的参考值。当Bragg波长的移位为1 nm时,棱镜最大的旋转角为1 degree,最小的旋转角是~2.4 minute。与Talbot干涉仪中平面镜的旋转角~23 second/nm相比,该相位干涉仪中棱镜的旋转精度降低了2~3个数量级。替代了许多具有不同光栅周期的相位掩模,该可调谐相位掩模干涉仪仅用一块相位掩模和两块旋转棱镜就实现了写入具有不同Bragg波长的光栅。     

Variable Wavelengths Fiber Bragg Gratings Written with A Phase Mask and Four Prisms

Using only one diffractive element, the Talbot interferometer provides a robust and inherently stable method for reproducing fiber Bragg gratings with variable wavelengths, and reduces the complexity of the fiber grating fabrication system. However, the usable length of the grating is limited by the practical length of the mirrors. This paper presents a phase mask with two fixed prisms and two rotational prisms to inscribe fiber Bragg gratings with variable Bragg wavelengths. In this system, the fiber Bragg grating is inscribed by UV interference stripes of 193 nm derived from two rotational prisms and two fixed prisms, where phase mask is used as a beam splitter of ±1 order diffraction light. It is noteworthy that the tunable phase mask interferometer decreases the demand of the length of prism evidently.     

Variable Wavelengths Fiber Bragg Gratings Written with A Phase Mask and Four Prisms

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｓｉｎｃｅｔｈｅｆｉｂｅｒｗａｓｐｌａｃｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｂｅｈｉｎｄｔｈｅ ｐｈａｓｅｍａｓｋ ,ｗｈｉｃｈｗａｓｏｒｉｇｉｎａｌｌｙｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｂｙＫ .Ｏ .Ｈｉｌｌｅｔａｌ.ｉｎ 1 993[1] ,ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｆｏｒｗｒｉｔｉｎｇｆｉｂｅｒＢｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ .Ｈｏｗｅｖｅｒ ,ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｐｈａｓｅｍａｓｋｃａｎｏｎｌｙｉｎｓｃｒｉｂｅｔｈｅｆｉｂｅｒＢｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｗｉｔｈ…     

半导体激光器与光纤光栅对接耦合研究

半导体激光器管芯与光纤光栅的对接耦合对光纤光栅外腔激光器的特性起到关键作用。利用散射矩阵分析了激光器管芯与光纤光栅外腔的对接耦合，发现对接的距离以及对接的耦合效率决定了光纤光栅外腔激光器的性能。在强反馈情况下,激射波长在光纤光栅外腔有效反射率决定的布喇格波长内随对接耦合距离周期性的变化,对弱反馈情况则有些不同。同时对比了两种情况的边模抑制比。该分析为实际制作器件提供了指导。     

双棱镜改变写入Bragg波长的相位掩模技术

将一种可旋转的双棱镜引入到相位掩模技术中以改变光栅的写入Bragg波长.在该系统中,光纤光栅是由来自可旋转双棱镜所形成的波长为248 nm的紫外干涉条纹写入的,其中,相位掩模被用作 1级衍射光的分束器,通过双棱镜的旋转可改变两写入光束的交叉角.为了初始化Bragg波长的参考值,双光栅的顶角由相位掩模的 1级衍射角和双棱镜的折射率确定.因为在～100 nm范围内两光束的非对称旋转对光栅周期的改变是5×10~(-4) nm,双棱镜引入的光栅的闪耀可忽略.当Bragg波长的移位为1 nm时,棱镜最大的旋转角为～1 degree,最小的旋转角是～2.4 min.与Talbot干涉仪中平面镜的旋转角～23 s/nm相比,该相位干涉仪中棱镜的旋转精度降低了2～3个数量级.     

Bragg反射齿型平面凹面衍射光栅性能研究

本文基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构, 提出利用一维光子晶体理论进行Bragg衍射光栅的设计并对其性能进行研究分析. 根据一维光子晶体理论, 建立了罗兰圆结构的凹面椭圆Bragg蚀刻衍射光栅, 研究了TE/TM模式下器件的分光特性以及入射角度改变对器件角色散造成的影响; 同时, 文中对比了空气介质型和金属铝线型椭圆Bragg蚀刻衍射光栅的光学性能. 研究结果表明: 选择合适的器件参数, 可以实现TE/TM模式下1.465-1.615 μm范围内波长衍射效率在95% 以上, 且空气介质型结构光栅的通道均匀性要优于金属铝线型结构光栅; 入射角在30°-60°范围内变化时, 相同入射角度下, TM模式下器件角色散大于TE模式. 基于Bragg衍射光栅设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG 波分复用器, 为未来密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

基于Bragg反射面结构的衍射光栅设计与研究

基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构,本文提出利用一维光子晶体带隙理论进行Bragg反射光栅设计.通过光学仿真软件OptiFDTD对Bragg反射光栅的宽度及倾斜角度误差的仿真分析,发现Bragg光栅齿刻槽宽度变化在10%范围、倾斜角度10°以内不会引起Bragg光栅衍射效率的明显变化,说明Bragg反射光栅具有较高的工艺误差容限;根据一维光子晶体带隙理论,设计了一种罗兰圆结构的Bragg衍射双光栅结构模型,实现了两个频段之间的衍射分光,优化分析结果表明:当第一套光栅中Bragg周期层数为6、第二套光栅Bragg周期层数为10时,两频段波长的衍射效率均可以达到70%左右,明显高于传统深刻蚀的衍射光栅.基于本设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG波分复用器,为未来高效密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

Hamming切趾技术提高体光栅光谱合成功率的研究

体光栅光谱合成技术是获得高功率激光输出的一种有效途径,体光栅衍射旁瓣是影响合成光束数目的主要因素。采用了Hamming切趾技术对体光栅旁瓣进行抑制,建立了Hamming切趾体光栅的折射率分布模型,分析了Hamming切趾体光栅的衍射特性,给出了Hamming切趾体光栅光谱合成效率公式,分析了切趾光栅对光谱合成效率的影响。计算结果表明:体光栅切趾后有效减小了体光栅对相邻合成光束的衍射损耗,切趾后,在20 nm的带宽内,谱合成光束的数目由13束增加为20束,谱合成效率达75.3%,光谱合成功率提高为切趾前的1.5倍。     

Lineshape and polarization mode dispersion of waves diffracted by apodized and chirped fiber Bragg gratings in reflection

The amplitude and phase of a light wave propagating in an apodized and chirped Bragg grating is given by the superposition of two orthogonal coupled wave functions that are the solution of a non-linear Riccati equation. An analytical solution, in the form of an integral transform, that predicts the amplitude, phase, and intensity profile of the light diffracted by grating, in which the local Bragg wavelength is asymmetric, and the forward and counter propagating modes are non-degenerate is presented. For even apodization and odd chirp the lineshape has an asymmetrical Gaussian form the result of mixing of the real and imaginary components of the apodized grating wave function. The effect of chirping is to shift the resonance wavelength, increase the grating bandwidth and polarization mode dispersion. The dependence of linewidth and dispersion on parameters that alter apodization and chirp after fabrication, is also discussed.