一步法设计单色仪凹面全息光栅

凹面全息光栅是光谱分析仪器的核心器件之一,其成像质量直接决定了光谱分析仪器的分辨本领。利用光程函数理论设计凹面全息光栅是一个繁琐的求解非线性方程组的过程,该过程分两步进行,每步需要求解四个非线性方程。分两步求解不但过程麻烦,还不可避免地引入了取舍误差,降低了最优参数的精度。为了解决该问题,本文提出了一种设计单色仪凹面全息光栅的新方法——一步法,该方法不但可以简化求解过程、降低最优参数的误差,还可以方便地控制整体像差的变化趋势。采用有较强全局搜索能力的遗传算法求解该方法中非线性方程的极值问题,并与传统的方法对比验证了该方法的可行性和正确性,结果表明,一步法不但在方法上比两步法简便,其设计结果还优于两步法。     

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。     

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。     

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。     

全息凹面光栅的优化设计

分析全息凹面光栅的像差,提出全息凹面光栅的优化设计方法。     

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...     

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。     

Ⅳ型凹面全息光栅参数误差对光谱性能的影响及补偿

在Ⅳ型凹面全息光栅制作和使用过程中,各参数误差会影响其光谱性能.光栅均方根法优化函数表达式复杂且不能给出光谱的带宽.由费马原理推导出一种数值处理较为简单且能直接描述光谱带宽的光栅优化函数——平方和法优化函数,验证了该函数的正确性.采用该函数对Ⅳ型凹面全息光栅使用参数和记录参数在参考平面内外的误差对光谱性能的影响及补偿做...     

用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅的模拟与设计

针对近红外光谱分析属于微弱信号与多元信息处理的特点,基于全息凹面光栅理论,采用光学设计软件CODE V,从初始结构出发,利用软件强大的全局优化功能,设计出一种用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅,成功地减小了像 差,解决了宽光谱、窄谱面展宽的矛盾,并充分利用了光谱信息,是一种高效率的分光光学系统结构。利用CODE V软件,不需要求解复杂的高级像差方程,能对结果进行迅速评价,并可在设计中同时兼顾平场和提高分辨率的要求,极大地 提高了工作效率。最后,给出了实例,设计出的全息凹面光栅工作波长范围为900～1700 nm、直径ф=25 mm、F/#=1.5,对设计结果分析表明：在宽度为50 μm缝光源再现情况下,理论分辨率优于6.3 nm。     

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。     

Flat field spectrograph using convex holographic diffraction grating and concave mirror

In this paper we have discussed the aberration properties and the design procedure of a spectrograph which uses a convex holographic grating as the dispersing element and a concave mirror as the focusing element. Both the concave mirror and the convex grating have common axis and they are concentric. The grating is constructed by recording the interference fringes on the convex surface which are formed by two convergent light beams incident from opposite sides of the axis. The illuminating source of the spectrograph is located on a plane perpendicular to the axis and passing through the common centre. It has been found that under certain conditions both positive and negative order spectra are perfectly focused on this plane. Aberration properties of the zero order image as well as the positive and the negative order spectral images have been studied by actual ray tracing. Using this system, design parameters of a medium-sized spectrograph having moderate dispersion and good resolution throughout theuv-visible region of the spectrum have been specified. The performance of the spectrograph has been evaluated by plotting spot diagram. The authors felicitate Prof. D S Kothari on his eightieth birthday and dedicate this paper to him on this occasion.     

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。     

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。     

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.     

对光栅单色仪信号采集和处理的改进

介绍了单色仪输出信号处理的设计方案．利用图像传感器CCD和计算机代替光电倍增管和X-Y记录仪，初步实现了硬件不够理想带来的光谱畸变的软件修正，并提高了数据的处理速度．     

基于多路复用体全息光栅的角度放大器设计

为设计基于多路复用体全息光栅的角度放大器, 建立了多路复用角度放大器(MAM)模型, 从效率均衡性和角度分布均匀性两个方面归纳了其设计规则; 研究了光刻过程中的误差对MAM性能的影响; 分析了实际发散光束对MAM性能的影响. 研究表明:控制光栅空间频率和光栅倾斜角可以实现需要的MAM角度分布, 控制光栅厚度和折射率调制深度可以实现MAM最佳衍射效率; MAM最大复用路数不超过10路; 增大光栅倾角或者记录光与工作光波长之比有利于抑制参考光角度误差带来的MAM出射角分布误差, 减小光栅厚度有利于抑制厚度误差     

基于多路复用体全息光栅的角度放大器设计

为设计基于多路复用体全息光栅的角度放大器, 建立了多路复用角度放大器(MAM)模型, 从效率均衡性和角度分布均匀性两个方面归纳了其设计规则; 研究了光刻过程中的误差对MAM性能的影响; 分析了实际发散光束对MAM性能的影响. 研究表明:控制光栅空间频率和光栅倾斜角可以实现需要的MAM角度分布, 控制光栅厚度和折射率调制深度可以实现MAM最佳衍射效率; MAM最大复用路数不超过10路; 增大光栅倾角或者记录光与工作光波长之比有利于抑制参考光角度误差带来的MAM出射角分布误差, 减小光栅厚度有利于抑制厚度误差与折射率调制深度误差对衍射效率的影响; 当远场发散角大于光栅角半宽时, 最佳衍射效率下降到50%以下且角度选择曲线失去局部最小值; 增大空间频率或者光栅厚度可以减小所需的折射率调制深度, 增多MAM可复用路数, 但是不利于效率均衡性设计和抑制发散光束的影响.     

使用光栅单色仪测量红宝石晶体的吸收和发射光谱

使用WDS-8型光栅单色仪测量了室温下红宝石晶体的吸收光谱和发射光谱.通过该实验,学生在了解光致发光原理及光致发光材料光谱特性的同时,掌握单色仪的使用方法和技巧.