多道光谱仪发展的新动向—中阶梯光栅光谱仪

由于发射光谱,特别是使用ICP光源时、含有众多的光谱线,需要有较高的色散率和分辨率、且波长覆盖范围较宽的分光系统以供使用。特别是对于那些具有复杂光谱基体的样品如镧系、锕系元素、地质样品、黑色金属、高温合金等等来说,使用一般市售一米左右的ICP发射光谱仪时,谱线干扰在所难免,需要用复杂的方法或软件来避免或扣除这类干扰。如果能采用色散率和分辨率都比常规光谱仪高得多、而且有足够的波长覆盖范围和光强的光谱仪,则不但     

基于谱图还原的中阶梯光栅光谱仪有效波长提取算法

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、高分辨率、宽波段、全谱瞬态直读等诸多优点,是先进光谱仪器的代表之一。在中阶梯光栅光谱仪民用化、商品化的发展趋势之下,其二维谱图图像处理的地位越来越重要。目前,国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长,但这种方法难以达到较为理想的要求。为了提升运算速度、波长提取精度以及成像误差补偿能力,提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。利用谱图还原算法,将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图,通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪,实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。先将二维谱图转换为一维图进行图像处理,使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善,还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验,并使用该算法进行数据处理。实验结果表明,不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差,而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度,波长误差小于0.02 nm,满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。     

中阶梯光栅光谱仪谱图背景去除算法

中阶梯光栅光谱仪凭借交叉色散特性实现全谱瞬态直读,面阵探测器接收的二维光谱图像需要还原成一维谱图以提取有效波长。由于二维谱图含有庞大的数据,且有效信息仅占极小比例,因此在谱图还原前进行背景去除能够减小数据量、提高运算速度。详细分析了中阶梯光栅光谱仪二维图像的特点,并针对其特点提出了背景去除算法。将图像边缘检测方法应用于弥散光斑的检测中,选择合适的边缘检测算子与原始图像卷积得到边缘图像,设置边缘图像的全局阈值对其进行二值分割,最终利用二值边缘图像映射原始图像得到去除背景的二维谱图。依据不同元素灯在不同积分时间下所拍摄的谱图,对比不同边缘检测算法的背景去除效果,分析了各算子对算法速度、精度的影响。实验结果表明本文提出的算法运算简单、边缘图像阈值易于计算、目标提取精度高,处理后的图像可以与谱图还原算法有效对接,谱图处理速度显著提升。     

高分辨率中阶梯光栅光谱仪精确装调与标定

中阶梯光栅光谱仪是一种高分辨率、高精度新型光谱仪器,其分辨率可达到几万至几十万,结构参数的微小偏差严重影响着其分辨率和波长标定精度,所以精确的装调方法是保证中阶梯光栅光谱仪性能指标的重要环节之一。针对中阶梯光栅光谱仪的结构特点,对中阶梯光栅光谱仪精确装调方法进行了研究。该方法简便、快捷,适用于小体积、封闭式结构设计的中阶梯光栅光谱仪。通过该方法的装调,使中阶梯光栅光谱仪工作状态与设计结果一致。给出了最终波长标定结果,其波长标定误差小于0.002 nm,满足系统性能要求。     

基于中阶梯光栅光谱仪的激光诱导等离子体分析系统研究

为了满足激光诱导等离子体分析系统(LIPS)对分光系统的分辨率,光谱范围,体积等多方面要求。本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪,该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息,令LIPS系统可实现快速在线实时分析。并且,该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器,令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱,提高了整个系统的信噪比。最后,搭建了一套激光诱导等离子体分析系统,对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。通过对合金样品测试,整个系统的分辨率达0.02 nm,光谱范围覆盖190～600 nm。并且研制的LIPS系统光谱重复性较好,特征元素波长提取误差不超过0.01 nm,可较准确的对样品成分进行分析。     

高分辨率中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路设计

以宽光谱范围、 高分辨率的中阶梯光栅光谱仪为研制目标,介绍了中阶梯光栅的色散特性,阐述了基于它的交叉色散原理,提出了分辨率优先的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路设计方法,包括高分辨率的主色散光路设计、 分辨叠级的辅助色散光路设计,及主-辅色散光路联合校验三个递进的环节,并结合商用光谱仪进行了实例设计,仿真和实验表明,当光谱范围为400~900 nm时,该分光系统在Hg灯546 nm处的分辨率可达51 000,在Na光589 nm处的分辨率为44 000。     

用于激光诱导等离子体光谱分析的便携式中阶梯光栅光谱仪设计(英文)

激光诱导等离子体光谱分析技术是一种非接触式实时检测技术,它已成为一种新兴的物质成分与浓度分析手段,并在工业生产等领域有着重要应用。为了使激光诱导等离子体光谱分析技术在极短的时间内同时获得全面的光谱信息,本文设计了一款波段范围为180～400 nm的轻小型中阶梯光栅光谱仪。通过分析其光学性能,确定了系统的结构参数,并对像差进行了分析校正。对汞灯特征光谱进行了测试标定,仪器光谱分辨率在253.652 nm处可达0.036 8 nm,满足激光诱导光谱分析技术对仪器光学性能的需求。     

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...     

轻小型中阶梯光栅光谱仪光学设计及性能分析

中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构,在像面形成二维光谱。影响中阶梯光栅光谱仪分辨率因素较多。分析了针孔直径、光栅参数、棱镜参数、CCD像素尺寸和像差对系统分辨率的影响,得到针孔、光栅、CCD是影响系统分辨率的主要因素,并推导三者在确定系统实际分辨率时相互制约的关系,从而设计一种高分辨率轻小型中阶梯光栅光谱仪。结果表明,轻小型中阶梯光栅光谱仪像差得到充分校正,分辨率达到设计要求。通过对拍摄的汞灯谱图进行还原与标定,实际分辨率为0.038 nm,达到目标值(0.05@ 200 nm)的要求。而普通的光栅光谱仪要达到这样的分辨率,其焦距是500 mm左右,充分体现轻小型的优势。     

刻划阶梯光栅的原理和应用特性

本文介绍了近年来在国际上受到重视的刻划阶梯光栅(Echelle),述及了它的诞生历史,与其他类型光栅的比较,干涉、衍射模型和若干应用方面的问题。     

高分辨率光谱仪与极大望远镜耦合问题分析

介绍国际上地面极大光学/红外望远镜的研制概况,分析高分辨率光谱仪与极大口径望远镜耦合中的难题,结果表明极大口径望远镜需要超大面积阶梯光栅和超快焦比相机。根据光谱仪与望远镜的匹配关系,30 m级极大口径望远镜的高分辨率光谱仪的准直光束将大于70 cm,主色散阶梯光栅的面积大于2 m2,照相机的焦比F/0.5,按照目前的制造技术无法提供上述光栅和相机,因此,提出高分辨率光谱仪与极大望远镜进行耦合的技术。针对耦合问题给出了相应解决方案,即采用像切分器、拼接光栅以及白瞳设计等技术将是极大口径望远镜与高分辨率光谱仪耦合的主要解决方案。     

Measuring the wavelength of light wave with four-sides prism spectrograph

The angular dispersion of four-sides prism is presented. A more accurate amended expression of measuring the wavelength of light wave with the spacing between two spectral lines is presented. The spacing between two spectral lines is measured with measuring microscope, the wavelength of light wave is calculated with the amended expression, the experimental values of wavelengths agree well with the reference value.     

消像散掠入射平场光栅谱仪及其在等离子体XUV光谱诊断中的应用

研制成一台由柱面反射镜和球面反射镜组成的掠入射前置光学系统和变间距球面光栅组成的掠入射平场光栅谱仪,它不仅有较高的效率和光谱分辨,调整方便,而且还具有在4.4nm～30nm波长范围里同时获得一维空间分辨光谱的能力.用该谱仪成功地获得了线聚焦激光产生的Si,Cu及其它元素的等离子体柱的轴向空间分辨光谱.该谱仪很适合与具有平直接收表面的光电探测器,如软X射线条纹相机等联用以获得时间分辨光谱.     

神经网络在棱镜摄谱仪定量分析光谱中的应用

给出了采用BP神经网络拟合标准光源在棱镜摄谱仪的谱平面位置和相应波长的非线性函数,省去了和标准铁谱比对测量未知谱线波长,简化了光谱的定量分析,提高了仪器的自动化和智能化水平.     

A morphological based method to calculate the centroid spots of Hartmann patterns

We have designed a morphological filter in order to calculate the centroid spots of Hartmann patterns. This filter is based on four directional structuring elements. Each element takes into account the general morphology of the spots of the Hartmann pattern. The efficiency of the filter was tested by using a simulated pattern of spots. Finally, we apply this filter to experimental Hartmann patterns obtained for small convex lenses.     

激光产生的钴离子体x射线发射光谱

用TlAP平晶谱仪记录了8～15波长范围内钴的激光等离子体X射线发射光谱。根据等离子数序离子光谱的规律性,识别和归类了其中大部分谱线,它们分别属于类钠至类锂之间各电离级离子跃迁。     

浓度序列对基于双异步正交样品设计构建的二维异步谱峰信噪比的影响

双异步正交样品设计(DAOSD)是通过对样品体系施加浓度的微扰,诱导光谱信号产生动态变化,并通过数学处理研究样品中物质间相互作用的二维相关光谱方法。提高二维谱图的信噪比对于谱图中交叉峰的分辨乃至物质间相互作用的考察有着十分重要的意义。通过计算机模拟考察了DAOSD构建二维相关光谱的方法中样品浓度序列对光谱行为影响。结果表明,在溶液数量较少的情况下,通过改变样品的浓度和组合顺序,可以有效提高交叉峰的信噪比,从而得到更高质量的二维谱图。     

Breakdown of Fermi liquid behavior near the hot spots in a two-dimensional model: A two-loop renormalization group analysis

Motivated by a recent experimental observation of a nodal liquid on both single crystals and thin films of Bi₂Sr₂CaCu₂O_8 + δ by Chatterjee et al. [Nature Phys. 6 (2010) 99], we perform a field-theoretical renormalization group (RG) analysis of a two-dimensional model such that only eight points located near the “hot spots” on the Fermi surface are retained, which are directly connected by spin density wave ordering wavevector. We derive RG equations up to two-loop order describing the flow of renormalized couplings, quasiparticle weight, several order-parameter response functions, and uniform spin and charge susceptibilities of the model. We find that while the order-parameter susceptibilities investigated here become non-divergent at two loops, the quasiparticle weight vanishes in the low-energy limit, indicating a breakdown of Fermi liquid behavior at this RG level. Moreover, both uniform spin and charge susceptibilities become suppressed in the scaling limit which indicate gap openings in both spin and charge excitation spectra of the model.     

基于光谱波段优化选择的FTIR测量与分析

在主动式红外遥感测量中,大气中痕量气体的红外吸收与不同红外波段的透过率光谱有关。在很多情况下,透过率光谱在光谱定量分析中起到重要的作用,因此,对测量和仿真的透过率光谱的波段进行优化选择是定量分析的关键。文章对最佳透过率测量范围进行了理论分析, 得到了对应于待测气体浓度反演相对误差最小的理论最佳透过率值;基于谱线的洛伦兹线型通过计算得到了待测气体分子的吸收截面, 同时给出了透过率光谱的校准训练集;确定了单组分CO₂光谱测量分析的波段,优化了多组分CO, CO₂和N₂O光谱同时测量分析的波段并成功地应用于开放光路光谱仪系统。光谱拟合分析结果表明,测量光谱与参考光谱得到了很好的拟合,拟合均方根误差小于1%。     

微弱信号源的和波束定向方法与分裂波束定向方法的性能比较

本文讨论水下辐射噪声源的精确定向问题，给出被动声纳和波束定向与分裂波束定向方法的性能比较。指出在一定信噪比下，分裂波束精确测向技术比和波束定向技术具有较高的定向精度。但是，随着信噪比的下降，两者趋于一致。推导了估计定向精度的分析表达式，给出在直线阵和圆弧阵情况下，延时估计和声源入射角偏差之间的换算公式和数值模拟结果。同时给出数字式声纳用以计算入射信号左波束和右波束数据的互谱来实现分裂波束定向的方法。