平面光栅双单色仪的光学系统设计

平面光栅双单色仪是构成光栅衍射效率测试仪的重要组成部分,为了完成光栅衍射效率测试仪的研制,需要对平面光栅双单色仪的光学系统进行设计和模拟。仪器主要由光源、前置单色仪、测量单色仪和探测器组成;结合仪器的实际使用需要,确定了光源、探测器和光路结构,根据仪器的设计要求,分别对前置单色仪和测量单色仪的光学系统进行设计和模拟,给出了各自光学系统的像面点列图和实际光线追迹数据。设计结果保证了仪器光学系统的测量准确性。     

凹面全息光栅单色仪设计

提出了单色仪在光纤传感系统中的应用,通过分析Ⅳ型凹面全息光栅的光程函数、像差校正原理和像差校正效果,以光栅为分光元件,设计了一种小型凹面光栅单色仪。单色仪使用自聚焦透镜作为入射狭缝和准直元件,PIN光电二极管作为接收元件,使用步进电机带动凹面光栅旋转扫描光谱。LabVIEW程序控制数据采集卡的数字输出,并显示采集到的光谱。单色仪结构简单、价格低廉,通过实验实现了对单色光的检测。     

小型宽波段凹面全息光栅单色仪的优化设计

随着户外物性分析实验的日渐增多,开发轻小型、便携式,且响应波段范围宽的光谱仪器的需求越来越迫切。根据凹面全息光栅均方根优化理论,设计了一款轻小型宽波段单色仪。该单色仪主要由三块IV型凹面全息光栅和上下两层可旋转的平台组成,三块光栅对称地固定于上层平台上,由一台步进电机带动上层平台旋转实现光栅之间的切换,另一台步进电机带动下层平台旋转实现单块光栅的扫描。三块光栅的响应波长范围分别为400～1000,1000～1700和1700～2500nm,其理论分辨极限分别优于2.5,2.8和4.0nm。并对三块光栅的制作误差和双层平台结构误差进行了分析,结果表明,在能够保证的误差范围内,该单色仪的光谱质量可以较好地满足户外光谱分析的要求。     

Czerny-Turner正交型光栅单色仪的波长校准

研究了Czerny-Turner正交型光栅单色仪的波长校准技术。结合单色仪的结构参数和特点,提出以符合光栅方程的正弦曲线作为仪器出射波长的校准方程,基于最小二乘法原理给出校准方程的拟合残差表达式,由于校准方程的非线性,应用二维Nelder-Mead单纯形法求解拟合残差的待定系数,建立了波长与光栅转角的精确表达式,并通过实验验证了该算法的准确性。结果表明,经过校准的单色仪波长定位精度小于0.1nm,比设计要求提高一个数量级。该方法在Czerny-Turner正交型光栅单色仪的波长校准过程中,应用简单,容易实现,只需稍加修改步进电机的控制程序,即可完成对仪器出射波长的快速实时校准,实用性强。     

单色仪的定标实验中汞光谱两条谱线的补充标定

讨论了普通物理光学实验有关教材中单色仪定标实验中定标所依据的汞光谱谱线标定问题，通过实验确定了实验可以明显观察到而未能标定的谱线，对原有教材有关内容给出了必要的补充。     

一种准确聚焦掠入射球面光栅单色仪的光学设计

提出了一种用于低碎屑激光等离子体软X射线光谱测试的球面光栅单色仪的光学设计方案。其设计思想是通过改变衍射光栅的偏向角使入射狭缝在所要求的波段范围内都能准确聚焦在出缝处,分析了系统的在数对单色仪技术指标的影响,优化了设计方案,使系统在13nm处的分辨率λ/Δλ≥2000（狭缝开启50um)。     

超高分辨率光谱定标技术发展概况

介绍了高光谱分辨率光谱定标经常采用的几种技术手段,包括谱线灯法、单色准直光法、利用可调谐激光器和气体吸收池的方法等。通过对比几种国外高光谱分辨率大气痕量气体探测仪的光谱定标技术,阐述了不同光谱定标技术的原理、实施方法以及技术特点。针对大气痕量气体探测遥感器超高分辨率光谱定标的特点,指出定标设备的带宽应能达到0．001nm的水平,同时还应考虑采取优化定标算法、结合多种光谱定标方法等措施来满足高光谱分辨率大气痕量气体探测仪光谱定标的要求。     

双光栅光谱仪波长扫描机构精度分析

光栅光谱仪作为研究太阳辐射的重要设备之一,其波长扫描机构的精度很大程度上决定了最终测量结果的准确性。从光机系统的光栅参量误差和机械结构误差两方面入手,对丝杠摆杆波长扫描机构展开综合精度分析,依据凹面光栅色散原理,推导出波长λ与摆杆末端沿丝杠方向位移x,摆杆长度l,光栅常数g和入射光线与出射光线夹角半值δ之间的关系。再对等式求导,依据误差叠加原理,计算出在红外工作波段650 nm~2 400 nm范围内,其波长定标误差应不超过±1.227 nm。在实验样机上进行验证,以汞灯为光源拟合出误差与波长的关系曲线,并以氦氖激光器为光源加以验证。实验结果证明了理论计算的正确性,该分析方法为双光栅光谱仪零部件精度指标的确定提供了依据。     

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。     

Seya-Namioka单色仪中全息光栅设计

本文着重讨论如何应用光程函数理论来确定IV型光栅的记录参数和工作参数,并给出设计实例。     

基于连续光谱光源的单色仪标定方法

单色仪在加工和安装过程中不可避免的存在误差,必须对其进行标定后才能使用。传统上采用汞灯的标定方法,波长数量有限,限制了单色仪的标定精度。在研究光栅单色仪原理的基础上,提出了一种基于连续光谱光源的单色仪标定方法,设计并搭建了标定实验系统,系统由宽波段光源、光源电源、滤光片、单色仪、光谱仪及计算机构成。采用卤钨灯作为光源,用光谱仪分别测量卤钨灯经单色仪后的辐射、直接测量卤钨灯的辐射,二者相比得到单色仪透过率函数,消除了卤钨灯辐射以及光谱仪响应函数的影响。在刻度盘的某一读数位置,获得单色仪透过率函数并进行归一化,并计算峰值波长,得到一组峰值波长和刻度盘读数的数据。该方法共采集了22组波长数据,用于单色仪的标定。分别采用8点、14点、18点、22点,采用线性拟合和二次拟合,得到了单色仪的波长与刻度盘读数的关系式。标定点数从8个(8点标定类似于汞灯特征谱标定)增加到22个,误差减小明显,将22点二次拟合的结果作为单色仪最终的标定结果。实验结果表明,采用连续光谱光源的单色仪标定方法获得的标定点数更多,标定结果优于传统的采用汞灯的标定方法。     

极紫外、软X-射线变线距平面光栅单色仪的研究

高性能极紫外、软X射线单色仪的研制对高亮度同步辐射光源的应用具有十分重要的意义。对Itou的变线距平面光栅单色仪作了详细的分析研究,发现它的光栅工作曲线几乎与单色仪的入、出射臂长度等参量无关,仅取决于单色仪设计的边界条件。其曲线方程和SX-700单色仪的完全类似。该单色仪不仅具有很好的光栅效率和高级次谐波抑制性能,而且有利于几条光束线共享一个电子储存环窗口的光路优化设计。     

单色仪定标曲线的非线性拟合简

采用两种方案对WDF棱镜单色仪的定标曲线进行非线性拟合。通过实验找出棱镜的折射率与TT鼓轮的关系,得到利用科希公式拟合定标曲线的可行性方案;利用高阶多项式对定标曲线进行拟合,运用统计的方法探讨不同的拟合阶数对拟合结果的影响,并得到了最佳的拟合阶数和高精度的拟合结果。     

光栅光谱仪分辨率及波长范围计算公式的研究

对水平对称式Ebert-Fastie型光谱仪的参量及性能进行了分析研究.基于水平对称式Ebert-Fastie型光谱仪工作时的光路图,用几何方法推导出了入射光线与衍射光线的夹角、入射角、衍射角、可测光谱级次及波长适用范围的计算公式,该公式可通过简单编程计算结果.基于理论分辨率计算公式,并考虑到狭缝宽度导致实际分辨率低于理论分辨率,推导出了分辨率与狭缝宽度等结构参量之间关系的计算公式,对该公式求导得出提高分辨率的方法,并举例计算得出考虑狭缝宽度后的实际分辨率为理论分辨率的83％.     

弧矢聚焦双晶单色器性能测试研究

针对同步辐射光束线中的弧矢聚焦双晶体单色器,研究了高准确度自准直平行光管对Bragg转角的步长分辨、转角准确度等参量检测的方法.利用单色器的双晶平行光路,可以方便实现对晶体微调角度的放大,从而检测微调机构的性能.建立了光束线模拟光路,可以实现对弧矢聚焦效果的检测.利用该方法,完成了我国第一台弧矢聚焦双晶单色器的离线检测,检测结果达到了理论设计指标,表明了测试方法的有效性.     

宽波段单色仪多级谱高精度波长定标

通常利用单色仪输出的单色光对空间遥感光谱仪进行波长定标。提出以空间遥感光谱仪的置信度为标准,来评价宽波段单色仪高精度波长定标精度的方法。通过对仪器精度的分析,分别求出单色仪的波长的重复性误差和偏差。应用高压汞灯的本征谱和光栅衍射多级谱作为定标谱线,避免更换灯源带来的误差。通过粗细定标相结合的方法,缩短扫描时间,并且运用高斯拟合对波峰进行精确定位,缩小误差。最后利用高次拟合得到的关系式,测出单色仪波长精度,计算出空间遥感光谱仪定标的置信度。以1.5 M单色仪为例,单色仪在200～840 nm波段内波长精度±0.016 nm,则空间遥感光谱仪的波长精度达到±0.050 nm的置信度为99.82%。