一种光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪

调整光谱仪的光谱分辨率,可使光谱仪在满足不同目标测量需求的同时,减少数据采集、处理和存储的时间,提高仪器的整体性能。为克服传统傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率固定的缺点,提出了一种分辨率可调的空间调制傅里叶变换光谱仪。介绍了该新型光谱仪及其干涉仪的工作原理,利用光线追迹的方法推导了光程差和横向剪切量的计算公式,并分析了新型干涉仪的光程等效模型。在此基础上,分析了光谱分辨率的调节原理。结果表明,该光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪克服了传统光谱仪分辨率固定、稳定性差等缺点,具有分辨率可调、高稳定性、结构灵活和易于装调等特点。该研究内容为分辨率可调的干涉光谱仪的设计提供了理论基础,扩展了傅里叶变换光谱仪的实用范围。     

面阵傅里叶变换太阳光谱仪高速采集系统设计与实现

同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成像常规观测。随着CMOS图像传感器技术迅猛发展,在可见光和近红外波段,探测器面阵大小和帧频相比传统CCD探测器有了质的提升,使得面阵傅里叶太阳光谱仪研制成为可能。通过引入高帧频面阵CMOS图像传感器,针对面阵傅里叶变换太阳光谱仪科学需求,设计了一套高速数据采集软硬件系统,实现了面阵傅里叶太阳光谱仪10 kHz高速触发,万帧/秒快速采集,0.5 GB·s-1大数据量连续、实时存储等功能。在此基础上,依托国家天文台怀柔太阳观测基地现有的IFS-125HR傅里叶变换光谱仪, 搭建可见光实验系统,以可见光色球谱线（Hα 656.3 nm）及其附近光球谱线为目标波长,开展面源太阳光谱探测。分别以实验室钨灯和太阳为光源,进行等光程差间隔采样,成功获得了面阵干涉图,首次反演得到面源窄带连续谱以及656.3 nm附近太阳色球和光球线。采用交叉定标方式,将得到的太阳光谱与美国国立太阳天文台NSO傅里叶变换光谱仪获得的标准光谱在同等分辨率下进行比较,结果基本一致,验证了新研制的面阵傅里叶太阳光谱仪高速数据采集系统性能及面阵傅里叶变换太阳光谱仪在太阳观测中的可行性。该研究为后续可见光宽波段面阵傅里叶太阳光谱仪的研制奠定了技术基础,同时为“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”（AIMS）后续从线源扩展到面源观测积累了宝贵经验。     

海洋高光谱辐射实时观测系统的研制

研制了海洋水色高光谱辐射实时观测系统.该系统主要包括用于现场测量海面与海水近表层上行辐亮度和下行辐照度的高光谱光纤辐射计,装载高光谱光纤辐射计及其它辅助设施的海上观测平台,数据采集、实时通讯的控制系统.采用6通道光纤光谱仪解决了多参数测量同步性问题,通过自动调整光谱仪CCD积分时间提高其测量的动态范围;采用光纤光谱仪减小了光接收器的体积,减小了自阴影效应的影响;采用防污染装置解决了光学探头水下防污染问题.对系统的性能进行了室内测试及近海36 d试验.结果表明,光学系统零漂误差小于±5%,光学系统稳定可靠;浮标性能可很好地满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求;控制系统的数据采集和通讯可靠有效.     

农药荧光全光谱检测与分析系统研究

基于有机物农药的荧光机理,利用光纤传感技术、光栅分光技术和多通道图像传感器(Multi-Channel ImageSensor)技术提出了一种用于有机农药的荧光全光谱检测与分析系统。系统以脉冲氙灯为激发光源,采用光纤进行传输和探测荧光,以自制的小型平场光谱仪对荧光进行色散分光,并设计了相应的高速数据采集电路,实验结果由微机进行分析。利用该系统实现了对西维因农药的荧光光谱的检测和荧光强度与农药浓度的分析。结果表明,以319nm波长紫外光为激发光,一次曝光可获得西维因农药的荧光光谱,光谱带宽为160nm;系统的最小检测浓度为4.0×10-3mg/L,农药浓度在4.0×10-3~100.0×10-3mg/L之间时系统具有较好线性关系,线性相关系数r为0.9986。用该仪器对河水和地下水中痕量西维因进行了测量,回收率接近100%。     

皮秒时间相关单光子计数光谱仪的核心技术

研制的皮秒时间相关单光子计数光谱仪利用时间相关单光子计数(TCSPC)技术,采用了具有分光时间弥散动态和静态补偿特性的光栅分光系统,解决了传统分光系统的光信号时间弥散问题;使用多道谱分析仪开设时间窗口,测量荧光衰减曲线和时间分辨光谱;用荧光衰减曲线的多指数拟合方法处理数据。给出了光谱仪的原理和总体方案,介绍了系统的集成和工作流程。通过各种标准样品的试验数据分析和对比,得出系统所测荧光寿命可达到ps量级,而且具有最高的灵敏度——单光子计数,时间分辨率达到8．8ps。     

基于短波红外成像光谱仪的矿石光谱测量

为了实现对不同矿物成分的识别,研制了一台用于矿石光谱分析的短波红外成像光谱仪,并基于此台仪器获取了多种矿石的图像信息和光谱信息。阐述了设计原理,并对整个系统的光学设计结果进行了成像质量分析。采用单色准直光法对该系统进行了测试,得到各光谱通道的中心波长以及光谱分辨率等光谱性能参数,测试结果显示,该仪器光谱分辨率优于10 nm,满足应用需求。利用研制出的成像光谱仪对岩石样品进行了实验,并对获得的光谱曲线进行了光谱分析。实验分析结果表明,该仪器具有良好的性能,能够较为准确地判断不同矿石。设计的短波红外成像光谱仪具有高分辨率、结构简单、小型化、重量轻等优点,便于机载成像,有益于其在地质勘探领域的应用。     

常规光谱仪器分光系统的比较

革新常规光谱仪具有现实的技术和经济价值,是推动光谱仪器不断发展的重要途径。鉴于分光系统决定着常规光谱仪的基本性能,是革新常规光谱仪的关键,文章对常规光谱仪的分光系统进行了比较,以揭示各典型分光系统的特色和内在衍化动力。文章从决定要素及公式、典型数据三方面对各典型分光系统的基本特性指标：(光谱范围、分辨率、色散率和光通量)进行了逐一和综合的横向比较, 不但揭示出各分光系统的特色和互补性,还表明分辨率与光通量的矛盾普遍存在于常规光谱仪中。以此为主线纵观常规光谱仪的衍化历史,进一步揭示出分辨率与光通量的矛盾运动贯穿始终,是推动其发展的重要动力。这为理解常规光谱仪的发展提供了新的视角,正确的认识和把握分辨率与光通量的矛盾将有利于分析和解决光谱仪器面临的核心问题,加速新型光谱仪器的研制。     

成像光谱仪一体化设计

随着超光谱成像技术的发展,超光谱成像光谱仪的要求也随之提高,小型化、高光谱分辨率和高空间分辨率成为发展趋势,这就要求设计者在进行仪器设计的过程中不断完善和优化设计。提出了成像光谱仪一体化设计的方法,即不单纯地进行光谱仪分光系统的设计,而是将光谱仪分光系统置于整体结构中进行整体系统设计和优化,从而实现超光谱成像光谱仪的最佳设计结果,并以近年来应用较为广泛的凸面光栅成像光谱仪为例,较为详细地阐述了成像光谱仪一体化设计方法在系统研制过程中的应用,并通过对该凸面光栅成像光谱仪的测试验证了该方法的正确性。     

基于ZnSe平板波导的小型光谱仪光学系统设计

一般光谱仪的小型化是通过缩小元件尺寸和元件间距离实现的,会降低仪器的性能。为实现高光通量、高光谱分辨率的红外光谱探测,提出一种基于ZnSe平板波导的小型光谱仪的设计方法。说明平板波导结构压缩光束的原理,根据介质中光栅的衍射特性,推导出光谱分辨率与各个参数的关系,给出一个小型光谱仪的具体设计。仪器的光谱范围为8~14μm,光谱分辨率为80 nm,数值孔径为0.3,光学系统是一整块ZnSe平板波导,尺寸为70 mm×70 mm×4 mm。并与相同设计指标下一般Czerny-Turner结构的光谱仪进行对比分析。结果表明基于ZnSe平板波导的小型光谱仪系统尺寸更小,光谱分辨率更高,光通量更大。     

LRZ-1型激光拉曼光谱仪计算机系统的研制

计算机技术的引入,使现代光谱仪器的整机性能大大提高,主要表现在:(1)以计算机为基础对光谱仪器的扫描装置及全部操作过程实行精确的自动控制;(2)将测试得到的原始光谱数据记录并贮存在计算机中,通过各种灵活、有效的处理算法,对这些数据进行多种后期加工处理。这样就大大提高了仪器的测试分析精度和自动化程度。基于上述指导思想,我们设计研制了APPLEⅡ微型机为核心的LRZ-1型拉曼光谱仪计算机系统。其主要性能特点如下: 1.以微机为中心,配以光学读数头,扫描采样控制接口,对光谱仪的扫描伺服系统实行闭环控制、检测和实时数据采集,使仪器扫描机构的重复精度达到0.1cm~(-1)以内。2.提供丰富的软件功能以实现对谱图的处理。其主要功能为:(1)重复扫描,累     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术研究

报道了一种基于硅光电信增管(SiPM)的时间相关多光子计数(TCMPC)技术并将其应用于时间分辨拉曼散射测量。相比于常规基于光电倍增管(PMT)或单光子雪崩二极管(SPAD)的时间相关单光子(TCSPC)技术,由于SiPM可以分辨信号脉冲的具体光子数,基于SiPM的TCMPC技术消除了信号脉冲包含的光子数必须小于等于1的限制,光子计数效率提高了10倍以上,大大节省了测量时间。此外,多光子测量比单光子测量能够得到更好的时间分辨率,时间分辨拉曼散射系统的仪器响应函数(IRF)从单光子81.4 ps缩短至双光子59.7 ps,因而可以用更窄的时间门限抑制荧光本底等噪声对拉曼散射测量的影响。使用TCMPC技术测量CCl₄在0.5和1.5 p.e.两个不同光子数阈值的拉曼峰的峰本比,后者较高的光子数阈值能进一步降低SiPM暗计数噪声的影响,增加了拉曼信号测量的信噪比,测量得到的CCl₄ 459 cm-1拉曼峰的峰本比是前者的6.4倍。将所述新的拉曼散射测量技术与基于PMT和锁相放大器(LIA)的传统拉曼散射测量技术进行了比较研究,前者由于可以使用仅有数十皮秒的测量门限,可以有效抑制荧光、环境杂散光和SiPM暗计数等噪声的影响,所得光谱具有更好的峰本比,测得CCl₄的459 cm-1拉曼峰和Si的一阶拉曼峰的峰本比分别是后者的3.9倍和5.5倍。     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。     

合肥光源测量束团纵向精细结构的单光子计数系统设计

本文介绍了用单光子计数法测量束团纵向精细结构的原理.介绍了合肥同步辐射光源测量束团纵向精细结构的单光子计数系统的设计.由于单光子计数法具有高时间分辨率(2ps)和大的动态测量范围(10⁵)等优点,所以该系统不仅可以测量束团长度,而且可以精密测量单束团的纯净度.最后,分析了该系统的性能,并讨论了该系统在尾场和纵向阻抗的研究、束团伸长效应的研究以及影响单束团不纯净机理的研究中的应用.     

微光图象光子计数器象管光子增益测试研究

本文介绍了微光图象光子计数器象管的主要构成及其与常规二代微光象增强器的区别.在论述单通道光子计数技术原理的基础上,提出了微光图象光子计数器象管的主要参数-光子增益的测试原理和方法,建立了测试系统.对微光图象光子计数器象管的光子增益进行了实测,并将测试结果与常规二代微光象增强器的亮度增益进行了比较,给出了光子增益的估算公式.     

Correction of ultraviolet single photon counting image distortion

Single photon counting imaging technology has been widely used in space environment detection, astronomy observation, nuclear physics, and ultraweak bioluminescence. However, the distortion of the single photon counting image will badly affect the measurement results. Therefore, the correction of distortion for single photon counting image is very significant. Ultraviolet single photon imaging system with wedge and strip anode is introduced and the influence factor leading to image distortion is analyzed. To correct original distorted image, three different image correction methods, namely, the physical correction, the global correction, and the local correction, are applied. In addition, two parameters, i.e, the position index and the linearity index, are defined to evaluate the performance of the three methods. The results suggest that the correction methods can improve the quality of the initial image without losing gray information of each counting light spot. And the local correction can provide the best visual inspections and performance evaluation among the three methods.     

Detailed calibration of the PI-LCX:1300 high performance single photon counting hard x-ray CCD camera

X-ray charge-coupled-device(CCD) camera working in single photon counting mode is a type of x-ray spectrometer with high-sensitivity and superior signal-to-noise performance. In this study, two single photon counting CCD cameras with the same mode(model: PI-LCX: 1300) are calibrated with quasi-monochromatic x-rays from radioactive sources and a conventional x-ray tube. The details of the CCD response to x-rays are analyzed by using a computer program of multi-pixel analyzing and event-distinguishing capability. The detection efficiency, energy resolution, fraction of multi-pixel events each as a function of x-ray energy, and consistence of two CCD cameras are obtained. The calibrated detection efficiency is consistent with the detection efficiency from Monte Carlo calculations with XOP program. When the multi-pixel event analysis is applied, the CCDs may be used to measure x-rays up to 60 ke V with good energy resolution(E /?E ≈ 100 at60 ke V). The difference in detection efficiency between two CCD cameras is small(5.6% at 5.89 ke V), but the difference in fraction of the single pixel event between them is much larger(25% at 8.04 ke V). The obtained small relative error of detection efficiency(2.4% at 5.89 ke V) makes the high accurate measurement of x-ray yield possible in the laser plasma interaction studies. Based on the discrete calibration results, the calculated detection efficiency with XOP can be used for the whole range of 5 ke V–30 ke V.     

单光子计数探测系统的线性性能研究

利用单光子计数技术对微弱光进行探测具有与其他模拟法相比的多个优势,如有好的抗漂移性、高的信噪比、较宽的线性区等。线性性能是探测器的基本性能之一,利用叠加法和距离平方反比法测量单光子计数探测系统的线性范围,当非线性因子为0.05时,利用叠加法实验测得系统线性响应计数率为3.9×10~5 Counts/s,利用距离平方反比法实验测得系统线性响应计数率为5×10~5 Counts/s。结果表明,两种方法测得响应线性度一致性较好。分析了电子学系统的漏计误差对探测器系统线性范围的影响。实验表明,通过缩短电子学系统中甄别器的死区时间(td)可以提高系统的线性范围。     

Photon counts modulation in optical time domain reflectometry

The quantum fluctuation of photon counting limits the field application of optical time domain reflection. A method of photon counts modulation optics time domain reflection with single photon detection at 1.55 μm is presented. The influence of quantum fluctuation can be effectively controlled by demodulation technology since quantum fluctuation shows a uniform distribution in the frequency domain. Combined with the changing of the integration time of the lock-in amplifier, the signal to noise ratio is significantly enhanced. Accordingly the signal to noise improvement ratio reaches 31.7 dB compared with the direct photon counting measurement.