半导体激光束的校正像散变换

本文以重新定义的高斯光束菲涅耳数及其变换规律为基础，推导出正确的半导体激光束的校正像散变换公式，修正了文献〔１－３〕中的表达式。

校正半导体激光束像散的波像差方法

利用波像差方法研究半导体激光束的传输变换特性，推导出用于校正半导体激光束像散的柱面透镜的正确设计公式。

紫外高分辨率像散校正型罗兰全息光栅设计

为了降低紫外高分辨率罗兰光栅的像散对光谱像高展宽的影响,提出了在罗兰圆上使用球面波非对称曝光设计思路。推导完全校正离焦和子午彗差的表达式,讨论了多种罗兰光栅记录结构的局限性,优选适合校正紫外高分辨率罗兰光栅的优化方法。通过全息光栅像面展宽表达式,指出像散和弧矢彗差是影响光谱像高的主要因素,并分配了两者的优化权重。利用这种优化思路,设计了工作波段110~200nm紫外高分辨率罗兰光栅,同时对比分析了传统光栅的像差系数和像高变化规律、像面结构和光谱分辨率。结果表明,和传统罗兰光栅分辨率处于同一数量级的情况下,所设计光栅光谱像高由25mm降低到1.5mm,谱面能量集中度有显著的提高。

影响Czerny-Turner结构像散校正的因素

针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正存在的问题,分析了影响光学系统像散校正的主要因素。基于发散光束照射平面光栅的像差理论,应用Matlab软件模拟分析了光学系统产生像散的原因和相应抑制方法的不足。讨论了了准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的角度差值α和光学系统像散S之间关系,理论模拟了α取不同值时,宽波段C-T结构的全波段像散校正情况。为了验证理论分析的正确性,设计了光谱段为900-1 700nm的消像散型光学系统,利用光学设计软件Zemax对该波段的光学系统进行了光线追迹和设计优化,并对设计结果进行处理和分析。结果显示：随着角度差值的逐渐增大,短波波段像散校正能力越来越强,像散校正能力提高了1.6倍左右;长波波段像散束缚能力越来越弱,像散校正能力平均降低了1.27倍左右。得到的结果表明：角度差值的合理选取可以为宽波段Czerny-Turner结构的像散校正提供理论指导。

基于像散校正理论的同时偏振多视场高分辨光谱仪设计

依据Czerny-Turner结构光谱仪的设计原理,以多维偏振光信息同时获取和高分辨率为设计目标,提出了一种同时偏振多视场高分辨的光谱仪设计思路,并给出光学设计实例。首次提出在狭缝长度方向垂直排列多个光纤,作为入射光源信息;结合像散校正原理,将像面上视场维方向重叠的像斑分开,继而在像面同时检测到多种视场的光谱信息。分析结果表明,该光学系统至少能在四个视场、设计波段内(760~770 nm)实现分辨率优于0.016 nm,不同视场的光谱信息明显分离。

ABCD矩阵与像散椭圆高斯光束的传输变换

从高斯光束复参数的三角形式和菲涅耳数出发，利用复数分式线性变换方法推导出高斯光束变换的类几何光学公式和焦移公式．分析像散椭圆高斯光束的传输变换特性，推导出半导体激光束的像散校正与旋转对称化变换公式．修正和扩展了某些文献中的表达式．设计了半导体激光水准仪的光学系统．

柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术研究

传统Czerny-Turner光谱仪系统中,像散是影响光谱仪成像质量并限制其在分析领域中进一步应用的主要因素。针对这一问题,提出了柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术。使用柱面反射镜校正系统像散,能够提高系统像质,在具有良好工艺性的同时,保证宽波段C-T光谱仪的实际分辨力。实验证明,柱面反射式消像散C-T光谱仪的分辨力在400~800nm的探测范围内可以达到0.02 nm。该技术能够提高光谱仪的性能,为高分辨宽波段的光谱仪研制提供可行方法。

消像散Czerny-Turner光谱成像系统的设计

传统Czerny-Turner结构的成像光谱仪存在固有的像散,为选择合理的消像散结构。对现有的消像散方法进行了比较,在不忽略光栅与准直镜和聚焦镜距离的情况下,分析了传统Czerny-Turner光谱仪的零阶消像散条件,推导出子午和弧矢焦长的表达式,并利用MATLAB精确计算出零阶消像散的光学结构参数。此外,分析了用超环面聚焦镜代替球面镜、加入柱面反射镜和柱面透镜等方法的消像散条件,并在可见光波段分别对初始Czerny-Turner结构进行改进优化。所有方法在整个波段内都较好地校正了像散,将平面光栅置于发散光路中的方法不引入复杂光学元件,结构简单、加工成本低、易于装调,最具推广价值。

半导体激光束准直系统的研究

根据二维高斯光束的传输与变换特性，从波像差理论出发，合理设计半导体激光束的准直物镜，并利用几何光学方法推导出正确的校正像散及旋转对称化变换的计算公式。

半导体激光束准直技术

本文根据半导体激光束的像散椭圆高斯光束特性，设计实用的半导体激光束准直系统的光学结构，并给出其参数计算的正确公式，修正了文献[5～8]中相应的公式．

星载宽波段大气痕量气体临边探测仪光学设计

为满足大气痕量气体临边探测的迫切需求,克服传统Czerny-Turner光谱仪由于像散大导致空间分辨率低的缺点,设计了一种可以在宽波段内同时校正像散的改进型Czerny-Turner光谱仪,光谱范围为0.3～0.7μm,全视场角为2.4°,焦距为120mm,相对孔径为1∶6.将离轴抛物面镜与改进型Czerny-Turner光谱仪匹配设计了一个临边探测仪光学系统并运用光学设计软件ZEMAX对临边探测仪光学系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析,结果表明该系统的像散得到充分校正,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.69以上,完全满足设计指标要求,也证明了所提出的在宽波段内同时像散校正方法是可行的.

宽波段高分辨率Dyson成像光谱仪设计研究

主要对一种远心成像光谱仪系统，即Dyson成像光谱仪进行了设计研究。这种成像光谱仪结构简单紧凑，仅由一个半球透镜和一个凹面光栅组成。在Rowland圆与折射理论的基础上，分析了Dyson成像光谱仪在宽波段下可消除像散的重要条件，即光栅半径与半球透镜半径之比，并获得了具备极高光学性能的光学系统参数计算条件。为了使这种成像光谱仪更适宜于工程化应用，又在其基础之上设计和分析了探测器表面脱离半球透镜的方法。设计实例获得了数值孔径0.33，工作波段0.38～1.7μm，狭缝长度15mm，像面表面成像斑均方根值半径小于2.5μm的Dyson成像光谱仪结构和改进后的像斑均方根值半径小于8μm的改进型Dyson成像光谱仪结构。该设计方法和设计结果合理可行，优化结构性能优越，并可用于工业及遥感等多个领域。

面向土壤含量检测的近红外光谱仪分析与设计

针对土壤中水、有机质、氮和无机元素等物质的检测手段,提出了一种有效的近红外光谱仪光学设计方案。报道了国内现有的检测现状,分析了现有检测仪器的技术特点。在此基础上,采用双波段覆盖和复合消像散相结合的方法,设计了近红外光谱仪光学系统。将复合消像散方法应用于近红外双波段光谱仪的设计中,双波段覆盖范围达900~2500nm,且全波段范围下光谱分辨率优于2nm,RMS值小于24μm,在奈奎斯特采样频率下,MTF值在10lp/mm时可以达到0.7以上。采用双波段覆盖和复合消像散方法可设计高分辨率的宽光谱近红外光谱仪,所设计的光谱仪系统可以满足土壤含量检测方面的实用需求。

用于LD光束准直整形的GRIN透镜的设计

本文提出了利用单个梯度折射率（GRIN）透镜同时对半导体激光器（LD）发射光束进行准直、整形和像散校正。对该GRIN透镜进行了设计，并对LD参数进行了测量。我们根据所设计的GRIN透镜的特点，采用椭圆形掩模孔，Ag-Na离子交换，来达到使GRIN透镜具有双焦距的目的。

基于复曲面镜的高分辨Czerny-Turner光谱探测技术

Czerny-Turner型光栅光谱探测技术凭借其色散均匀、灵敏度高、光谱探测范围宽等优势成为现代光谱仪器研究的热点,广泛应用在生物学、医学、材料科学等领域,但受限于像散,系统的成像质量和分辨力难以进一步提高。为解决上述问题,提出了基于复曲面镜的高分辨Czerny-Turner光谱探测技术,通过复曲面镜子午和弧矢方向焦距不同的特性来校正像散,在保证C-T型光谱仪高灵敏、宽谱段优点的前提下,改善成像质量,提高系统分辨力。理论分析和实验结果表明,复曲面镜消像散光谱仪样机基于10nm扫描间隔的光谱拼接技术,在400~800nm工作波段范围内光谱分辨力达到0.020nm。为C-T型光谱仪的分辨力改进提供了一种可行途径。

近红外宽波段下的Czerny-Turner结构复合方法消像散设计

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足，提出了一种复合方法校正像散，即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时，加人柱镜，利用柱镜的相反像散变化趋势，进一步补偿光学系统的剩余像散，推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法，设计了1个近红外900～1700nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明，全波段全视场均方根（RMS）值均小于14“m，调制传递函数（MTF）达到0．7以上，全波段的光谱分辨率为1．5nm。保证了在高光谱分辨率的情况下，实现了近红外800nm宽波段像散的同时校正，避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计，对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。