双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计

提出了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计方法.将使用波段一分为二,由两个使用结构相同的平场全息凹面光栅分别进行光谱成像以达到提高光谱分辨率的目的.根据全息凹面光栅像差理论,对光栅的使用结构和两光栅各自的制作结构进行优化求解以校正离焦、像散、彗差和球差等各种像差.据此原理设计了工作波段为200~800 nm、探测器长...     

宽场平谱面全息凹面光栅光谱仪的设计

全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式,在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能;在垂直于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性;在平行于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变,实现了谱线平直成像;此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想,利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20nm/mm、空间分辨率小于25μm等技术指标不变的前提下,设计了狭缝长度为0.4mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明,改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。     

面向微小型紫外光谱仪的凹面光栅模拟与设计

针对微型紫外光谱仪设计要求,基于凹面光栅理论与方法开展了微小型紫外光谱仪的像差分析,完成平场化凹面光栅的模拟分析与设计,解决了紫外宽光谱与高分辨率问题,同时应用光栅衍射理论、全息光学理论,采用光栅设计软件PCGrate对凹面光栅的衍射效率进行了设计和优化,使所应用级次的光谱衍射效率在整个设计波段内达到最优,实现了微小型紫外光谱仪的平场凹面光栅设计。所设计紫外凹面光栅工作波长范围190～410nm、口径20mm,F/#=0.21。按照设计参数装调的微型紫外光谱仪在宽度为50μm缝光源再现情况下,光谱分辨率优于3nm,衍射效率无异常出现。     

宽谱高分辨平场凹面全息光栅光谱仪设计

为了获得宽谱、高分辨的平场凹面全息光栅,将全息凹面光栅理论、遗传算法、衍射级次空间共用和同时消像差思想融合在一起,提出设计宽谱、高分辨平场凹面全息光栅的方法,给出了实际设计步骤。通过Zemax软件光线追迹仿真具体实例,给出了200～800nm波段的点列图变化曲线[均方根(RMS)约为11μm],以10μm×1mm狭缝入射,其光照度光谱图显示光谱分辨率在200～400nm波段为0.25nm,在400～800nm波段为0.5nm。该方法可以用于设计小型化、实用化的宽谱和高分辨平场凹面全息光栅光谱仪光学系统。     

双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪

基于CCD的微型平场全息凹面光栅光谱仪,以其简单紧凑的结构和快速高效的工作方式在光谱分析领域获得了广泛的应用。但是,由于受限于色散距离,单纯依靠优化光栅像差很难进一步使光谱分辨率获得大幅提高。提出一种双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪的设计方法,用两个使用结构相同的光栅代替传统的单光栅设计,给出一个光谱范围为400～1000nm光谱仪的具体设计,计算显示光谱分辨率最大可提高为原来的2.5倍。通过对光栅衍射效率的计算分析,说明此方法能够显著改善仪器的通光效率。设计制作了原理样机,进行了装调测试,实验结果与理论计算相吻合。     

软X射线并联平场光栅的设计

为了拓宽软X射线平场全息凹面光栅的工作波段,提出了并联平场全息凹面光栅的优化设计方法。利用遗传算法,将两块工作波段不同的平场光栅设计在同一基底上。两块平场光栅的工作波段分别为2~5nm和5~30nm,两者使用结构完全相同。应用光线追迹的方法,研究了并联平场光栅的分辨特性,其分辨率与现有商用平场光栅的分辨率相当。基于光程函数理论,给出了并联平场光栅的制作光路,理论设计值和光路优化值的线密度偏差在±1line/mm以内。数值模拟结果显示,并联平场光栅既拓宽了工作波段,又保证了分辨率与现有平场光栅分辨率相当,其设计适用于记录更宽波段的软X射线光谱。     

扫描平场全息凹面光栅

从全息凹面光栅像差理论出发,考虑到扫描平场光谱仪的结构特点,推广全息凹面光栅优化设计的基本方程使之适用于扫描平场全息凹面光栅(SFHCG),且用在光栅扫描角范围内和在谱面上取点求和来代替复杂的积分运算,简化设计程序。给出一消像散SFHCG的设计实例和用这块光栅所做的实验结果。     

零像散宽波段平场全息凹面光栅的优化设计

平场全息凹面光栅的理想像面应为一平面,此时子午焦线与弧矢焦线均位于像面内且彼此重合,形成接近理想像点的光谱像。但子午焦线总是存在弯曲,只有弧矢焦线在满足一定条件的情况下可以成为直线。鉴于此,提出一种满足平场弧矢焦线条件的平场全息凹面光栅设计方法。利用光学设计软件ZEMAX研究了运用此方法设计的零像散光栅的成像特性,并与原有设计方法得到的结果进行比较。模拟结果显示,满足平场弧矢焦线条件的光栅能够达到与原有方法所设计光栅相当的光谱分辨率,而其全波段零像散特性使其拥有更加出色的弧矢方向聚焦性能,显著提高平场光谱仪的信噪比。     

基于凹面光栅的特定蛋白分析仪结构设计及性能分析

为解决罗兰光栅光谱成像不易直接读取、平面场凹面光栅成像算法复杂等问题,设计了一种基于全息凹面光栅原理的用于特定蛋白分析仪生化检测的分光光度计。该结构以罗兰光栅为基底,采用双透镜作为过渡元件,将罗兰光栅的曲面成像过渡成平场光谱,同时采用光学设计软件Zemax对该结构进行模拟和优化。优化结果表明,分光光度计能够实现光谱平场化,工作波段为320～800 nm,最高分辨率可达0.5 nm,整体分辨率优于1.7 nm,可被光电二极管阵列直接读取,结构特性满足特定蛋白分析仪的测量要求。样机实验结果与模拟结果一致,仪器重复性、准确度、稳定性及线性度均达到行业标准。     

平场全息凹面光栅制作结构与使用结构之间误差补偿作用的数值模拟与实验验证

通过对优化计算出的平场全息凹面光栅制作结构(曝光记录结构)和使用结构(光谱仪分光结构)之间各个参数进行联合数值模拟,得出如下结论：在优化设计参数值附近一个较大范围的误差区域内,平场全息凹面光栅的制作结构参数误 差和使用结构参数误差可以相互补偿,最终补偿的结果可以使光谱成像质量达到与原设计结构相当的水平,满足光谱仪器的使用要求。文章给出了数值模拟结果以及与其相符的实验验证结果。此补偿作用有利于降低平场全息凹面光栅制作 中各个参数精度的调节难度,并且可以对实际使用过程中光谱仪器的设计和装调进行理论上的指导。     

混合集成微型光纤光谱仪的设计模拟及实验

提出了一种混合集成微型光纤光谱仪。该系统采用一种全息凹面光栅作为分光成像元件，以线阵CMOS图像传感器作为探测元件，实现400～800nm波长范围内的光谱检测。整个系统的光学元件少、光能传输效率高、结构简单紧凑、体积小。通过结构与参量的优化设计、计算机模拟和初步试验表明这是一种较为理想的微型光谱仪。     

Holographic grating based Ebert spectrograph

In this paper we discuss the aberration properties and design procedure of in-plane Ebert spectrograph using conventional as well as holographic diffraction gratings. In both cases the gratings are situated at the well-known √3-position so that the spectrum can be recorded on a flat surface. It has been found that the holographic grating system has better resolution than the conventional grating system. The design parameters of a medium sized holographic grating spectrograph in which a concave spherical mirror is mounted in the off-axis configuration have been specified. The performance of the spectrograph has been evaluated by plotting spot diagram.     

宽光谱平像场全息凹面光栅的优化研究

基于凹面光栅的几何理论,推导了子午、弧矢聚焦曲线的数学表达式和全息平像场凹面光栅制作参数的计算关系式.提出了一种新的在整个使用波长范围内同时消除子午和弧矢像差的最佳优化设计方法.这种方法不同于以光线追迹技术为基础的标准光学设计软件如CODEV或ZEMAX的优化设计方法,而是从数学表达式出发,采用光栅优化因子,对凹面光栅的子午聚焦曲线和弧矢聚焦曲线进行拟合,从理论上找到最佳的能够使子午和弧矢像差同时趋于零的像平面,然后再根据拟合参数设计制作光栅.用Matlab软件解决了子午聚焦曲线超越方程无法解的困难;讨论了不同光栅常数和入射角度时对两聚焦曲线拟合程度的影响.提出了在宽光谱使用条件下,可以通过减小入射角度和光栅刻线数来提高光谱像质.     

实验评估全息凹面光栅平场摄谱仪

阐述ＳＰＤ－Ｉ型全息凹面衍射光栅平场摄谱仪的基本工作原理和仪器结构，详细报导了该仪器的适用波长范围、平直谱面长度、倒数线色散率和光谱带宽等主要技术性能的光学测试方法和实验结果。测量结果表明在设计波长范围（４００至８００ｍｍ）内像差校正良好，获得的平直谱面可与光敏面长度为一英寸（２３．５ｃｍ）的多通道探测器相配；仪器的色散相当均匀（约１７ｎｍ／ｍｍ），在５７９．９６ｎｍ波长处测得的光谱带宽为１ｎｍ，能满足一般光学多通道分析仪的要求。     

凹面光栅衍射效率的研究进展

凹面光栅因同时具有聚焦和色散功能而广泛应用于各类紫外、可见和红外波段的光谱分析仪器中,尤其是平场凹面光栅可以结合线阵或面阵探测器来实现即时分析。凹面光栅衍射效率的高低直接影响光谱仪器的信噪比和信号采集,其相关研究也逐渐为人们所关注。介绍了凹面光栅衍射效率的研究进展,比较了由机械刻划法和全息法制作的凹面光栅在掠入射下衍射效率的差别,分析了现有计算衍射效率方法的优缺点,并且对凹面光栅衍射效率的研究趋势做了简要预测,提出了需要同时在凹面光栅的主截面和非主截面内考虑光束对其衍射效率的影响。     

一种用于土壤非金属养分测试的光纤探头式分光光度计

针对测土配方施肥技术中要求快速、便捷、高效地进行土壤养分测试的需求,文章基于浸入式光纤探头、平场凹面全息光栅、二极管线阵检测器开发了一种光纤探头式分光光度计用于土壤养分中非金属元素的快速、准确测试。基于国家计量检定规程JJG 178—2007对紫外、可见、近红外分光光度计的性能检测方法测试的该仪器的波长最大允许误差与波长重复性、基线平直度、透射比最大允许误差与透射比重复性均达到了国标第Ⅲ级别标准,其最小光谱带宽、噪声与漂移、杂散光基本达到了国标第Ⅳ级别标准。基于该仪器测试的土壤硝态氮、铵态氮、有效磷、有效硫、有效硼、和有机质含量与基于商用的国产单光束和进口双光束分光光度计测试的结果呈极显著的线性相关关系,其回归方程的斜率接近于1,且对比数据之间无显著性差异。因此,该光纤探头式分光光度计可用于土壤非金属养分的快速、准确测试。     

平焦场光栅光谱仪

 介绍了用于X光能谱测量研究的平焦场凹面光栅光谱仪的原理、结构及象差校正的设计方法。利用2 400L/mm的变栅距光栅设计和建立了一台平焦场光栅光谱仪，其测谱范围为1.5～10nm。通过在星光装置上利用该谱仪测量C10H16O6等离子体的发射谱线，对谱仪进行了实验考核，表明该谱仪分辨率达到0.02nm。并成功应用于辐射加热等离子体的吸收谱测量研究中。