基于光-热-结构模拟的罗兰圆型光谱仪热工况优化设计

针对目前紫外光谱仪热工况优化研究缺乏的问题,该文设计出一款探测范围为200 nm~450 nm、全波段分辨率不低于0.2 nm的罗兰圆光谱仪,并耦合光、热、结构模拟对其光室热工况开展优化研究。热仿真结果表明:在无加热、无入口风速下光谱仪底座温度、温差随时间不断增加,难以达到热平衡;优化光室入口风速,发现当入口风速为0.8 m/s时,整体温度降至36.103℃~39.859℃;基于光学器件间的热变形量的计算,光学器件截距总热变形量为0.203 mm;优化加热方式,发现顶层式加热方式最佳,整体温度降至34.241℃~36.139℃,光学器件截距总热变形量降至0.122 mm。对此进行光学仿真,结果表明,优化工况后的罗兰圆光谱仪工作热变形后可清晰分辨出两束波长相差0.2 nm的光束。

双罗兰圆结构光谱仪的光学系统设计

提出一种基于双罗兰圆光学结构的光谱仪光学系统及其设计方法。其中,200 nm~500 nm光路为常规的罗兰圆光学结构;500 nm~700 nm光路运用凹面光栅第零衍射级次光谱线,利用平面反光镜将谱线射入另一个凹面光栅,实现了双罗兰圆光学结构。根据设计要求及光学系统各个参数之间的相互约束,设计、计算出光学系统各个参数指标,基于Zemax仿真分析,调整光学参数并验证光学系统的可行性。针对平面信号探测器在罗兰圆周上存在像差问题,利用反光镜增添信号探测器的可摆放个数,使像差比初始结构减小4.475μm,光谱仪整体光学结构尺寸小于400 mm×500 mm。仿真结果表明:光谱仪所测的光谱波段范围可达200 nm~700 nm,全波段分辨率达0.4 nm。

具有非罗兰圆结构的太阳极紫外正入射宽波段成像光谱仪光学设计

基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,设计了一款兼具大离轴视场和宽波段的太阳极紫外正入射成像光谱仪,使用三个平场探测器,可实现在极紫外波段对包括日冕和过渡区域在内的太阳上层大气的高空间和高光谱分辨观测。该仪器仅有两次反射表面,同时使用周期性的SiC/Al多层镀膜最大化地减小了极紫外波段的光子通量损失,提高了仪器的传输效率。该成像光谱仪的工作波段为40~47 nm、53~60 nm和66~73 nm,口径为100 mm,沿狭缝方向的离轴视场为18′,系统的空间分辨率优于0.55″,光谱分辨率优于30×10-4 nm。

大相对孔径宽波段Dyson光谱成像系统

提出了一种改进型Dyson光谱成像系统,以克服传统Dyson光谱成像系统焦平面探测器安置困难的缺点。首先,基于折射球面罗兰圆理论,提出了这种改进型Dyson光谱成像系统的光学设计方法。然后,利用MATLAB软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2,波段为200～1000nm的Dyson光谱成像系统。利用自己编制的MATLAB程序计算了初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱成像系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。分析结果表明,在整个工作波段(200～1000nm)内,点列图半径均方根值小于4.2μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足设计指标要求。得到的结果验证了所提出的光学设计方法是可行的。

微小型光栅光谱仪光学系统的特点与光谱分辨率的提高

微小型光谱仪的设计制作可以采用多种方法,其结构特点和光谱分辨率也各不相同,目前实用高光谱分辨率微小型光谱仪采用的是光栅色散型光学系统。简要回顾了微小型光谱仪的发展过程,分析了典型的光栅色散型微小型光谱仪采用的光学系统,如基于罗兰圆的光学系统,基于Czerny-Turner的光学系统的特点,总结了提高微小型光栅光谱仪光谱分辨率采用的方法和技术,特别是解决光谱仪的微小型化和光谱分辨率之间的矛盾以及测量光谱范围和光谱分辨率之间的矛盾的方法,从而为新型微小型光谱仪的研制提供经验和借鉴。

I型全息凹面光栅制作误差对光谱像的影响分析

通过对I型全息凹面光栅制作参量误差对光谱像的影响进行数值计算发现:1)两记录臂长的相对误差而不是绝对误差决定光谱像的展宽程度,即使绝对误差较大,只要两记录臂长的误差值相同,像宽也没有明显改变;2)由于I型光栅的记录臂一般较长,记录角度误差对像宽的影响不大,但会影响光栅的刻线密度,导致光谱成像位置的偏移;3)曲率半径误差对像宽的影响较大.通过数值模拟明确了I型全息凹面光栅制作的误差容许范围,找到了对光谱像宽度影响较大的误差来源,从而为此类光栅的制作提供理论指导,有助于制作出高质量光栅,降低罗兰圆光谱仪的调节难度.

平场全息凹面光栅的设计

介绍一种从罗兰圆结构出发,利用ZEMAX光学软件设计平场全息凹面光栅的方法。此设计方法简便,在兼顾平场和提高分辨率方面效果显著。最后给出了一个设计实例,并对设计结果进行了分析和评价。

用Stigmatic Points法设计高性能80通道阵列波导光栅器件

采用StigmaticPoints方法改进传统的罗兰圆结构设计方法 ,给出一个实用化、高性能 80通道阵列波导光栅器件设计方案 .对采用这两种设计方法得到的器件性能结果进行了比较分析 ,指出了传统设计方法在设计大通道数阵列波导光栅器件中存在的问题以及StigmaticPoints方法对器件性能的改进 .

双道X射线分光光谱仪及其与扫描电子显微镜的匹配

本X光谱仪是一种线性全聚焦弯晶谱仪。装备在扫描电镜上后,可使之兼具电子探针X光微区分析仪的功能。本文重点讨论了X光光谱仪的几何精度、分光晶体的制备、光谱仪与电子光学镜筒的匹配衍射峰值强度的提高、本底噪音的减低以及同轴光学显微镜的匹配等问题。X光谱仪的总几何精度应为±1′,重复精度为6″。实际结果表明,元素分析范围为B^5(Be^4)～U^(92);波长分辨率△λ/λ为1～5×10^(-3)(Na^(11)～U^(92))及1～5×10^(-2)(B^5～F^9),可分开Cu,Fe,Ti等元素的K_(α1,α2)谱线,Ti-6A1-4V合金中VK_(α1),VK_(α2)及TiK_β谱线;波长重复性为0.00014A;探测限对Na^(11)～U^(92)为10^(-3)％量级,B^5～F^9为10^(-2)％量级。

InGaAsP/InP单片集成波长解复用器件

报道了基于二维凹面光栅的单片集成波长解复用器件，器件刻蚀在ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ平板波导上，通过凹面光栅的色散作用实现不同波长光的分离，光的输入输出耦合由波导阵列来完成，器件的工作波长在１．５μｍ附近，通道间隔约４．３ｎｍ，本文给出了器件的设计方法、制作工艺和初步测试结果。

激光诱导等离子体光谱仪实验装置的构建

激光诱导等离子体光谱仪是一种具有实时在线、非接触、多元素同时探测等优点的分析仪器。它无需制备样品,是钢铁冶炼中在线元素快速检测的仪器之一。本文将线阵CCD放置于罗兰圆上,搭建了一台紫外波段的激光诱导等离子体光谱仪实验装置,光谱分辨率达0.1nm,覆盖的光谱波段为235～260nm,主要用于检测钢铁材料中的C元素。实验结果表明,该系统的搭建是成功的。

国内外油料光谱仪应用及发展趋势研究

介绍了油料光谱仪的应用领域及工作原理。概述了油料光谱仪在国内外的成功使用情况。分析了油料光谱仪的发展趋势,根据我国的技术条件和国际形势,分析我国发展油料光谱仪器的紧迫性并指出我国光谱仪器的发展出路。

国外ICP光谱仪

1989年1月"国外科学仪器"编辑部邀请了当前世界上生产 ICP 光潜仪的主要厂家:美国 Thermo Jarrell-Ash、Baird、英围Hilger、西德 Spectro、法国 Jobin Yvon、日本岛津和澳大利亚 Labtam 等公司,向在京部分科研单位从事 ICP

宽波段全息罗兰光栅的优化

罗兰光栅存在的主要像差是像散和弧矢彗差,影响其光通量和光谱分辨率。根据凹面全息光栅的几何像差理论,分析了记录光源点在罗兰圆外所制作的全息罗兰光栅的宽波段像差特性。发现像散和弧矢彗差能够在两个波长处被同时消除;并且在两波长之间的波段范围内,像散和弧矢彗差相对传统光栅均得到明显改善。基于此像差特性提出一种设计宽波段高分辨罗兰光栅的方法,通过选择适当的使用结构和校正波长,能够在整个使用波段有效地校正像散和弧矢彗差。利用这种优化方法设计了工作波段为160~600 nm的罗兰光栅。光线追迹结果显示,所设计光栅的光谱分辨率和能量集中度在整个使用波段较传统光栅均有显著提高。

罗兰全息光栅线密度误差分析与控制

分析了罗兰光栅帕邢-龙格结构中光栅线密度误差对波长精度的影响。提出一种利用参考光栅在线检测罗兰全息光栅干涉场条纹密度的方法。将具有标准线密度的参考光栅放置在干涉场内曝光位置,通过检验曝光光束的自准直衍射光与空间滤波器中针孔位置的重合度来判断干涉场条纹密度误差。推导了干涉场条纹密度误差与曝光光束自准直衍射光偏移量的解析表达式,发现干涉场条纹密度误差与曝光光束自准直衍射光偏移量、罗兰光栅曲率半径和曝光光束波长有关。以曲率半径750.2mm的罗兰光栅为例,当采用441.6nm激光建立光路时,利用此方法可将干涉场条纹密度误差调整至0.035grooveμ排m以内。

新型大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统设计

为满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求，克服Offner光谱成像系统中凸面光栅加工的困难和改进型Czerny-Turner光谱成像系统相对孔径小的缺点，提出一种新型的基于平面光栅的大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统，根据反射球面罗兰圆理论分析了该系统的像散校正方法，利用Matlab软件编制了初始结构快速计算程序。作为实例，设计了一个相对孔径为1/2.5，工作波段为400～1000 nm的Schwarzschild光谱成像系统。首先利用自己编制的Matlab程序计算初始结构参数，再利用Zemax-EE光学设计软件对该光谱成像系统进行光线追迹和优化设计，并对设计结果进行分析。结果表明，在整个工作波段内，点列图弥散斑的尺寸小于13 μm，实现了大相对孔径宽波段像差的同时校正，在宽波段内获得了良好的成像质量，满足设计指标要求，也证明了这种新型Schwarzschild光谱成像系统是可行的，其在航空和航天高光谱遥感领域具有广阔的应用前景。

凹面光栅型波长解复用器的标量波动分析

利用标量波动衍射理论，通过对光栅槽面的数值积分，计算了罗兰圆型集成二维凹面光栅像点的光强分布。给出了光线追迹法难以得到的光栅槽面沿光栅圆不同方位刻划所引起的成像点对于光栅方程式计算位置的偏离；在对色散和分辨力的分析上，获得了与光线追迹法很好的一致性；分析了光栅的槽面数、光源的模场宽度以及因工艺产生的槽面圆角对光栅成像的影响；最后给出了光栅的波像差和光线像差的计算。

平场输入/输出蚀刻衍射光栅的设计

光通信中波分复用技术是解决通信网络瓶颈的有效手段 ,近年来得到很大发展。以平面波导波分复用器件为核心的密集波分复用技术已经得到成功商用。蚀刻衍射光栅是平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力的一种。原有蚀刻衍射光栅采用罗兰圆设计 ,输入输出在圆弧曲线上由条形波导引出 ;而平场输入 /输出的蚀刻衍射光栅在很多应用中可以省去制作输入输出波导 ,大大简化制作工艺 ,同时能够保持良好的线性色散和聚集效果。给出了平场输入和输出蚀刻衍射光栅的设计方法 ,并利用标量衍射理论对设计的结果进行模拟 ,验证了平场输出蚀刻衍射光栅具有很好的分波效果。

基于Bragg反射面结构的衍射光栅设计与研究

基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构,本文提出利用一维光子晶体带隙理论进行Bragg反射光栅设计.通过光学仿真软件OptiFDTD对Bragg反射光栅的宽度及倾斜角度误差的仿真分析,发现Bragg光栅齿刻槽宽度变化在10%范围、倾斜角度10°以内不会引起Bragg光栅衍射效率的明显变化,说明Bragg反射光栅具有较高的工艺误差容限;根据一维光子晶体带隙理论,设计了一种罗兰圆结构的Bragg衍射双光栅结构模型,实现了两个频段之间的衍射分光,优化分析结果表明:当第一套光栅中Bragg周期层数为6、第二套光栅Bragg周期层数为10时,两频段波长的衍射效率均可以达到70%左右,明显高于传统深刻蚀的衍射光栅.基于本设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG波分复用器,为未来高效密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.