基于双光栅和柱透镜的高分辨率近红外微型光谱仪

因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大不便于携带等问题,为此,提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构,开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构,新的设计主要有三个特征:使用光纤代替入射狭缝,以减少光能损失;采用双光栅将光束进行二次衍射;使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先,利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析,光谱范围为1525~1570 nm,光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内,光谱分辨率理论上达到0.2 nm,比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后,根据理论分析,选购了合适的光电器件进行了系统封装,与匹配的电路模块结合,实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内,实际测量的光谱分辨率为0.215 nm,与理论结果较为吻合。进一步地,搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统,该微型光谱仪作为信号解调仪,选择了四个中心波长分别为1534、1538、1542和1545 nm的光纤光栅作为传感器,温度在0~50℃范围内以1℃为间隔连续变化,最终实现了温度实时测量和信号解调,系统温度灵敏度分别达到9.58、9.68、9.69和9.6 pm·℃^(-1),验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上,系统内部无可移动元器件,体积小、分辨率高、稳定性好,可应用于其他诸如物质浓度分析、传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。

基于双光栅修正测力传感器温感量的研究

光纤光栅测力传感器存在温变量与应变量交叉影响光纤光栅中心波长的现象,为了补偿温变量对光纤光栅中心光波长的影响,提出双光栅法,以修正温变量引起的中心光波长偏转量。在不同受力、不同温度下进行光纤光栅中心光波长测量实验,结果表明:应变量的测量结果与理论计算结果基本一致,表明双光栅法制备测力传感器是可行的。

基于扩展宽带光双光栅干涉的屈光度测量研究

提出了一种屈光度的扩展宽带光双光栅干涉测量方法。基于Talbot效应与Moire效应理论,推导出单、复色扩展光源下干涉场强度分布公式,从而表明当光源到第一面光栅与第二面光栅到观察屏距离相等时,干涉场光强分布与光源波长无关。仿真分析了扩展光源下双光栅系统参数对莫尔条纹对比度的影响,结果表明:当系统中光源宽度选定为4 mm、光栅周期选定为0.2 mm、两光栅之间的夹角选定为1.9°、两光栅之间的空间距离选定为6.5 mm时,可以获得较好的干涉条纹对比度。构建了屈光度测量系统,对屈光度为-1 m^(-1)、-3 m^(-1)、1 m^(-1)、3 m^(-1)的镜片进行实验测量,重复测量10次,测量结果的峰谷值偏差为0.0064 m^(-1),是测量结果平均值的0.28%。实验结果表明:扩展宽带光双光栅干涉方法能实现镜片屈光度的高精度低成本测量。

双光栅成像效应中物像位置的横向偏移

利用光栅方程和双光栅成像时各参数方程,研究了双光栅成像中观察到的物体虚像位置与原物位置发生横向偏移的情况,给出了其表达式并且分析了产生横向偏差的影响因素.讨论了光栅参数对横向偏差的影响,给出了其对横向偏移影响的关系图,并对偏移的一些特性进行了定性的分析,得到了一些有益的结论.

基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法

提出了一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法。在分析光栅尺测量原理的基础上,探讨双光栅尺信号的切换合成;通过对莫尔条纹电子细分计数脉冲切换误差的分析,研究减小切换合成误差的方法;采用可编程逻辑器件FP-GA设计信号处理电路,并通过逻辑、时序仿真,验证了本方法的可行性。实验结果表明:此方法在光栅尺移动速度>1m/s时,具有10 nm分辨率,可满足新一代运动定位系统对高速高精度位移测量的要求。

一种新型双光栅光谱仪光学系统设计与优化

由于所需测量的光谱范围较宽(276~700 nm),而CCD探测器的接收面尺寸较小(14.3 mm×10.5 mm),根据所选用的平面光栅元件参数,采用传统的车尔尼-特纳型结构是无法满足的。基于该结构,利用光线相对光栅的入射角和衍射角与光栅转角的关系,提出了使用两块反射式平面光栅进行光谱分离的方法。通过理论计算,确定了两段光谱范围和两光栅的旋转及俯仰角度,采用ZEMAX软件建立多重结构,分别设置两块光栅的位置和波长参数,对光学系统进行了模拟分析和优化。结果表明,在像面上得到了两条谱面线展宽为14mm,中心间距8mm的光谱带,光谱分辨率优于1nm,各像差得到了充分校正,满足设计指标要求,很好地解决了宽光谱和探测器接收面尺寸之间的矛盾。

紫外双光栅光谱仪结构设计与波长精度分析

为了满足太阳光谱在170～380 nm波段的精确观测需求,设计了波长重复性精度优于±0.02 nm的紫外双光栅光谱仪。波长扫描机构是双光栅光谱仪的关键组件,根据凹面光栅色散原理,将光学设计指标转换为波长扫描机构设计的输入参数,分析了影响光谱仪波长重复性精度的误差源。根据分析结果得知,丝杠的重复定位误差是影响波长重复性的主要误差源。选用重复定位精度为±2μm的丝杠设计了波长扫描机构,并对光谱仪整机进行了设计。以汞灯光源对光谱仪的波长重复性指标进行了验证实验。实验结果表明,设计的光谱仪波长重复性介于-0.005～+0.007 nm之间,满足波长重复性优于±0.02 nm的指标要求。

基于双光栅衍射成像效应的光栅实验探讨

结合科研新成果，对现有的光栅衍射实验的改革与创新进行了探索，提出了基于双光栅衍射成像的新实验方案，对实验的具体内容、所需的仪器及实验难度进行了分析和讨论，使其成为一个既能说明基本的衍射现象，又能使学生全面认识光栅衍射特性的新型衍射光学实验。

双光栅并联匹配解调技术的工程化研究

在分析和综合其他数据处理方案优缺点的基础上,提出了一种基于分区查表法的有效数据处理方案.该方案先确定待处理的电压商值在三段近似线性曲线上所属区域,再执行查表法将其和微应变量一一对应.这种处理方案不但解决了传统单匹配解调技术中的双值和可测试范围小的问题,而且提高了测试准确度.根据实验结果,采用普通的光纤光栅对,系统可传感的应变范围可达525με,准确度可达±1με.

双光栅衍射位移测量实验仪的研制

介绍了一种双光栅衍射位移测量教学实验仪器的工作原理、系统结构、研制内容、实测结果以及在实验教学中的应用。

激光双光栅法测微小位移中光拍信号的振幅调制

在用双光栅法测微小位移的实验中,光拍信号出现与理论不符的包络。经过实验分析,发现形成包络的原因是单振动光栅的衍射光边缘的强度变化。进一步分析表明,这是由于光栅振动的同时伴随有转动造成的。在振动光栅后加狭缝抑制衍射光的边缘部分,可以很好地消除光拍信号中的包络。

用于光束整形的表面等离子体双光栅结构

为了对双边布拉格反射波导半导体激光器的远场双瓣特性进行整形,使之合并成为单瓣出光远场,在布拉格反射波导的出光腔面上制作了表面等离子体双光栅结构。利用Au-SiO2光栅结构对表面等离子体的耦合效应和表面等离子体的透射增强现象将双瓣远场耦合成为单瓣出射,然后通过Au-Si3N4光栅结构将透射的表面等离子体耦合成为光子进行准直出射,最终得到单瓣准直的远场光斑。计算结果表明:当Au-SiO2光栅厚度为50nm,填充因子为0.5,光栅周期为350nm;Au-Si3N4光栅厚度为70nm,填充因子为0.5,光栅周期为660nm时可以得到远场发散角压缩到6.1°的整形光斑,比没有双光栅结构的发散角缩小了3.6倍;其远场透射光功率达到了模式光源的62%,是没有双光栅结构单瓣出射功率的1.59倍;同时腔面反射率也降低到12.4%,是没有双光栅结构的0.53倍。结果显示,提出的双光栅结构优化了布拉格反射波导半导体激光器的出光远场特性。

双光栅衍射成像仪研制与使用

双光栅衍射成像实验是基于原创性科研成果创立的新颖的光学实验,双光栅衍射成像仪是为双光栅衍射成像实验专门设计开发的仪器。介绍了设计该仪器的目的、设计方案的选择和开发该仪器的方式、仪器的功能及使用注意事项。该仪器及其原理技术已通过了科技成果鉴定。

集成双光栅干涉微梁位移测量方法

介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法,并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片,在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽,凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上,梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明,虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2,但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测,通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用,避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置,实验测得微梁的位移变化为650nm。

基于正交双光栅的容积测量方法及误差分析

针对药室容积的高精度测量问题,提出了一种基于正交双光栅的容积间接测量方法。分析了药室的结构特点,合理地分配各个测量要素的极限误差,设计了相应的药室容积测量装置,并对其测量误差进行分析。实验结果表明:该方法具有较强的稳定性,测量精度高且实效性好,与传统的测量方法相比,直径测量精度由±0.028 mm提高到±0.012 mm,长度测量精度由±0.050 mm提高到±0.013 mm,容积测量的相对误差由0.80‰提高到0.11‰,测量时间小于24.8 min/m,有效地提高了药室容积测量的精度和效率。

利用双光栅实时测量大视角入射激光波长的方法

本文探讨了利用双光栅实时测量大视角入射激光波长和方位的理论依据，并进行了误差分析；尝试了利用双光栅实时测量大视角入时激光波长和方位的方法；预见到双光栅是实时测量大视角、宽频带、脉冲激光波长的有效元件。

转动拉曼测温激光雷达的双光栅单色仪研究

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10^(-7)的抑制比,能够很好抑制Rayleigh-Mie散射,得到纯度很高的转动拉曼谱,并且能够提高光的透过率,具有长期的稳定性。光纤、透镜、光栅参数的选择及焦板上光斑的精确定位是双光栅单色仪研制成败的关键。在合适的参数下计算出了双光栅单色仪的滤波函数,高低量子数回波信号强度比以及温度随高度的变化,计算出的温度与代入的温度相差约0．3K,说明此双光栅单色仪的设计是合理的。

THz振荡器双光栅开放腔的高频特性

针对双开槽的双光栅开放式谐振腔,提出了一种基于矩形波导谐振腔理论的计算方法,给出TE04模式场分布的结构设计修正公式,用于进行准光学谐振腔结构设计优化,通过增强电子注区域的电场强度,可有效提高电子效率。同时对双光栅慢波结构"冷"色散特性进行了计算,分析了不同参数对其高频特性的影响。结果表明,双光栅槽宽和电子注通道宽度的变化会对其色散特性的频带上限产生较大影响。

双光栅绕射辐射器件谐振腔模式特性研究

对双光栅绕射辐射器件谐振结构中的模式分布规律进行了分析,研究了谐振腔的结构参数对腔内电场分布的影响。结果表明,双光栅绕射辐射器件谐振结构中的电场分布受矩形腔宽度的影响显著。特别是在槽高b=λgroove/2情况,绕射辐射器件谐振模式能分解为球-柱开放腔准TEM与矩形腔中TM模式的叠加表示;在该情况下,a=λ/2是槽宽设计的较合理结果。此外,在谐振结构中加入"四分之一波长变换"结构并不能有效增强矩形腔内的电场强度,反而会对谐振腔的谐振模式及工作频率产生影响。

双光栅转动拉曼雷达带宽对反演大气温度的影响

介绍了双光栅转动拉曼激光雷达的双光栅单色仪结构,并推导了相应的雷达公式。利用该公式把双光栅单色仪带宽对雷达反演温度带来的影响,简单地转化成双光栅单色仪带宽内包含的转动拉曼谱线对雷达反演温度带来的影响,结果表明多谱线比值反演的温度小于单谱线反演的温度,最大误差达13K。