Design of Time-Resolved Shifted Dual Transmission Grating Spectrometer for the X-Ray Spectrum Diagnostics

A new time-resolved shifted dual transmission grating spectrometer （SDTGS） is designed and fabricated in this work. This SDTGS uses a new shifted dual transmission grating （SDTG） as its dispersive component, which has two sub transmission gratings with different line densities, of 2000 lines/mm and 5000 lines/mm. The axes of the two sub transmission gratings in SDTG are horizontally and vertically shifted a certain distance to measure a broad range of 0.1-5 keV time-resolved X-ray spectra. The SDTG has been calibrated with a soft X-ray beam of the synchrotron radiation facility and its diffraction efficiency is also measured. The designed SDTGS can take full use of the space on a record panel and improve the precision for measuring spatial and temporal spectrum simultaneously. It will be a promising application for accurate diagnosis of the soft X-ray spectrum in inertial confinement fusion.

Space-Resolved Spectrum Diagnose by Soft X-Ray Transmission Grating Spectrometer

A space-resolving transmission grating spectrometer is established on the ＂Shenguang-III＂ prototype laser facility and an iterative procedure for unfolding the X-ray spectrum with spatial resolution is described. The diagnostics is applied to measure the X-ray spectrum from laser-entered gold target and the typical space-resolved spectrum is provided. The relative standard uncertainty of the X-ray spectrum from the laser-generated plasma is also determined.

Optical Spectrometer with Acousto-Optical Dynamic Grating for Guillermo Haro Astrophysical Observatory

Optical spectrometer of the Guillermo Haro astrophysical observatory (Mexico) realizes investigations in the visible and near-infrared range 350 - 800 nm and exploits mechanically removable traditional static diffraction gratings as dispersive elements. There is a set of the static gratings with slit-densities 150 - 600 lines/mm and optical apertures 9 cm × 9 cm that provide the first order spectral resolution from 0.8 to 3.2 A/pixel, respectively. However, the needed mechanical manipulations, namely, replacing the static diffraction gratings with various resolutions and following recalibration of spectrometer within studying even the same object are practically inconvenient and lead to wasting rather expensive observation time. We suggest exploiting an acousto-optical cell, i.e. the dynamic diffraction grating tunable electronically, as dispersive element in that spectrometer. Involving the acousto-optical technique, which can potentially provide electronic control over the spectral resolution and the range of observations, leads to eliminating the abovementioned demerits and improving the efficiency of analysis.

Performance Comparison of Long-Wave Infrared Imaging Spectrometer Between Dyson Form and Offner Form

In view of the difficulties in traditional long-wave infrared imaging spectrometer which is hard to realize a high signal-to-noise ratio and miniaturization as well under the weak remote sensing signal,Offner convex grating spectrometer and Dyson concave grating spectrometer,both having concentric structure,are designed and analyzed in the band of 8-12 μm. The diffraction angle expressions of the two spectrometers are obtained and the diffraction characteristics are acquired. Both of the spectrometers are designed in Zemax environment under different F-numbers and different grating constants with the same slit,spatial resolution,spectral resolution and detector. The results show that Dyson grating spectrometer possesses the advantages of higher throughput and smaller volume, and Offner grating spectrometer possesses the advantage of more accessible material and the absence of chromatic aberration. The differences between Dyson form and Offner form show that the former is a better choice in the long-wave infrared imaging spectrometer.

Ray tracing method for the grazing incidence flat-field imaging soft X-ray spectrometer

A ray tracing method is introduced for helping adjustment and spectra analysis of the grazing incidence flat-field imaging soft X-ray spectrometer. For a single point source, the spectra images obtained by separate components, the toroidal mirror, and the grazing incidence flat-field concave grating with varied line spaces are given respectively. The calculated spectral images of the single point source by the spectrometer are also given for comparison with measurements with different experimental alignments.

亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学设计

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"量级的空间分辨率,很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征.为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程,需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据.鉴于此,本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,相比现有仪器,系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测.性能评价结果表明,系统在62—80 nm,92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4",光谱分辨率均优于0.007 nm,光谱成像质量接近衍射极限,对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值.

基于光谱成像仪的量子化能级测试与分析

以反射式光栅和CCD为核心器件,搭建了反射式光谱成像仪,开发程序对CCD输出的光敏像元与待测光谱波长之间的关系进行快速定标和可视化处理,进而对特定气体原子或分子的量子化能级进行测试和光谱分析,并对该量子化能级测量试验仪的性能进行了评估与不确定评定.实验系统的搭建与测试,增加了学生的动手能力,加深了学生对能级的量子化、原子内部结构和运动特征等知识的深入理解.

基于PSIM机载大视场宽谱段偏振光谱成像系统光学设计

为满足偏振光谱成像探测中对于大视场、宽谱段技术要求,设计了一种基于偏振强度调制技术(PSIM)的宽谱段大视场偏振光谱成像仪。针对前置望远镜组,文中对现有国内玻璃材料消色差分析,优选了可见至短波红外的复消色差玻璃,通过控制镜组中PSIM模块光线角度,实现大视场内在PSIM模块上的入射角度需求。结合分析结果,采用光学设计软件优化设计。设计结果表明,前置望远系统能够实现波段为400~1 700 nm,视场角为72°,焦距为20 mm, F数为4的高质量成像,全谱段内探测器截止频率处传递函数优于0.4, PSIM模块上最大入射角度为±4.99°,有效保证了各视场内偏振调制的一致性。后置光谱分光系统采用基于Offner结构的凸面光栅,优化结果显示各波段点列图均小于一个像元,在探测器奈奎斯特频率处中心波长的MTF达到0.6,各项指标均满足设计要求。本文对于基于PSIM宽谱段偏振光谱成像仪器的工程化具有很重要的现实意义,对宽谱段光学系统消色差设计也具有一定指导意义。

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。

适用于无人机搭载的轻小型成像光谱仪光学系统设计

设计了一种适用于无人机搭载的轻小型成像光谱仪(Light and compact imaging spectrometer,LCIS)光学系统。该光学系统的工作波段覆盖400~1000 nm,F数为3.3,视场大小为11°,光谱分辨率优于3 nm。采用Zemax对该光学系统进行仿真和优化,优化结果表明,点列图均方根(RMS)半径最大值为4.221μm,小于单个像元尺寸的一半,谱线弯曲最大值为1.30μm,色畸变最大值为1.16μm,分别占像元尺寸的8.69%和7.73%,在33 lp/mm处的调制传递函数(MTF)值优于0.7,各项指标评价结果均表明该光学系统具有较好的成像质量。此外,该光学系统体积为190 mm×160 mm×90 mm,表明该系统不仅光谱分辨率高、成像质量好,还具有体积小、结构紧凑的优点。本研究为轻小型成像光谱仪的研制提供了核心技术支持,为基于无人机搭载成像光谱仪开展遥感器在轨辐射定标工作奠定了基础。

改进的分段式多项式拟合的二维谱图还原算法

中阶梯光栅光谱仪兼具光谱范围宽和光谱分辨率高的优势,为将因中阶梯光栅衍射级次高而导致混叠的光谱分开,中阶梯光栅光谱仪的色散系统使用了两个分别在相互垂直的方向进行交叉色散的元件,并最终在探测器上形成二维光谱图像。为了获取光谱仪所检测物质的直观光谱信息,需要通过谱图还原算法将二维光谱图像转换成光强与波长对应的一维谱图,谱图还原算法的优劣直接决定了中阶梯光栅光谱仪的精度和效率。结合已有的谱图还原算法,提出了一种改进的分段多项式拟合的二维谱图还原算法。该算法所基于的中阶梯光栅光谱仪采用透射式棱镜,与传统的光线追迹获取拟合数据点的方法不同,通过中阶梯光栅和棱镜的色散规律获取波长所对应的像元坐标数据,之后将探测器像面在横轴上按像元坐标划分成多个区域;由于X坐标与衍射级次m具有一定的相关性,因此算法的原理是通过建立X坐标与m的拟合关系式,即可由光线落在探测器像面的X坐标得到光线所属衍射级次,并结合像面的Y坐标与波长的关系式最终得到坐标与波长的关系式;分别对各个区域进行多项式拟合,得到每个区域的波长与像元坐标的关系式,实现整个区域谱图还原模型的建立。实验表明:所建立的谱图还原模型的计算误差为0.0001nm。综上,该算法运算简单、能够快速实现谱图还原,并且提高了谱图还原的准确率。

高分辨率旋转光栅光谱仪的设计

针对光栅光谱仪中高分辨率与宽光谱难以同时满足的问题,设计了一款基于旋转光栅的Czerny-Turner(C-T型)光路结构的高分辨率宽光谱拉曼光谱仪,激发波长为532 nm,光谱范围为80~3000cm^(-1),分辨率为1.2cm^(-1)。将光谱范围分为低(80~1450cm^(-1))、中(855~2225cm^(-1))、高(1630~3000cm^(-1))3个波段,以优化中波段为主,对全波段进行了优化。通过微调光栅的旋转角度,确保低、中、高波段均位于CCD的有效像面上。该光谱仪成像系统的点列图、均方根图和调制传递函数图均符合设计要求。

Seya-Namioka类型真空紫外光谱系统的研制和性能测试

为了满足磁约束核聚变领域的杂质测量要求,研制了一套Seya Namioka真空紫外光谱仪。该光谱仪的主要部件是可调宽度的入射狭缝、凹面光栅和探测器。光谱仪的光通量通过可调节宽度的入射狭缝来调节,入射狭缝宽度可以在10~1000μm范围内调节。分光元件选用线密度为1200 lines·mm^(-1)的凹面全息光栅。光栅表面涂有铝(Al)和氟化镁(MgF2),以提高衍射效率。光栅的可使用波段为50~460 nm,针对其中的50~250 nm波段进行光路优化设计。选用深度制冷背照式电荷耦合器件(CCD)作为光谱仪的探测器。通过转动光栅转台旋转光栅来改变衍射角,实现50~250 nm范围内的光谱观测。基于凹面光栅的参数,确定了具体光路,并分析了波长随光栅旋转角度的变化关系及不同波长处的线色散率。基于凹面光栅成像理论,对系统的光谱分辨率进行了计算分析。通过分析不同出射臂下的光谱分辨率,确定最优出射臂为205 mm。在出射臂为205 mm、入射狭缝为20μm的情况下,分析了入射狭缝宽度、像素大小、像差和衍射极限对光谱分辨率影响。结果表明:衍射极限对光谱分辨率的影响最小,基本上可以忽略不计,出射狭缝的宽度对光谱分辨率有较大贡献,大约为0.09~0.10 nm,且在50~250 nm波长范围内缓慢增加。分析了不同入射狭缝宽度(10~80μm)下光谱分辨率,光谱分辨率随狭缝宽度呈递增趋势,变化范围为0.10~0.32 nm,当狭缝宽度达到80μm时,光谱分辨率已经变的较差,不利于高分辨线辐射光谱测量。在实际测量中,应该综合考虑光通量和光谱分辨率需求。采用低压汞灯和微波等离子体光源进行波长校准和性能测试。基于零阶光谱和汞灯的特征光谱HgⅠ(185 nm)对光谱仪进行了波长标定。通过HgⅠ(185 nm)谱线的高斯拟合分析,得到仪器在185 nm处的光谱分辨率为0.1243 nm,与理论计算值接近。通过实验与理论计算对比不同出射臂下的HgⅠ(185 nm)光谱分辨率,验证了仪器在出射臂为205 mm处获得最佳光谱分辨能力。利用微波等离子体放电光源装置对光谱仪进行了进一步的性能测试,基于光源发射的氮、氧和氦线的测量,验证了光谱仪在50~250 nm波长范围内具有良好的探测能力。

分光计测谱线波长实验中光栅倾斜对结果的影响

实验研究了在用分光计测谱线波长实验中光栅位置倾斜对波长测量结果的影响.采用控制变量法,使光栅在立体空间的3个坐标轴上分别旋转一定的角度,测量各种情况下谱线的波长,并计算误差.结果表明,如果采用光栅常数较大的光栅来测量级次低的谱线,光栅调整偏差引起的误差非常小.而在具体方位上,光栅绕中心转轴方向的旋转比另两个方向的旋转引起的测量误差更大.

数字化光栅光谱仪以及在食品色素测量中应用

利用树莓派的数字可视化优势,结合其轻便和便携的特性,对大学物理实验中的光栅光谱仪测量方案进行了改进。通过自主编写Python程序,用蓝色和绿色两种单色光源,确定了视场中可见光谱的波长,并计算了不同波长光线的衍射角度。此外,通过连接自制的光栅光谱仪和数字摄像头,成功在树莓派屏幕上显示出不同色素浓度下的光谱分布情况。在实验过程中,根据测量得到的吸光度光谱图像和色素浓度数据,数据拟合得到了吸光度与色素浓度之间的函数关系。这种改进的测量方案不仅提高了实验的准确性和便捷性,还为学生提供了一个直观的学习平台,有助于他们更好地理解和掌握光谱学原理及其在物理实验中的应用。

基于CD/DVD光盘的光波衍射研究

白炽灯光入射在CD/DVD光盘会呈现随着角度轻微变化发生相应变化的彩色线.基于CD/DVD光盘的制造工艺,利用MATLAB软件对衍射规律进行理论分析,使用分光计实验观察白炽灯照射下CD/DVD光盘呈现出彩色线的衍射现象,验证不同入射角、衍射角、水平偏转角与波长的关系,获得不同条件下的衍射图案.为光学和材料科学等多个学科领域以及数字储存技术的发展提供新的思路和方向.

一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈,是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system,MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner,C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构,分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理,基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差,基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计,确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果,完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调,搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明,设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪,采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光,0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800~1800 nm的光谱测量,光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异,光谱整体分辨率半峰全宽(FWHM)≤11 nm,波长稳定性≤±1 nm;基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上,可有效提高光谱测量的灵敏度;同时,经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小,可选用感光面积小、截至频率大的单管探测器实现光谱探测,可降低系统成本、抑制外部光噪声,满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。因此,提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、微型化和低成本的光谱仪发展需求。

“句芒”号卫星超光谱探测仪设计与系统验证

随着双碳目标的提出,碳监测定量化遥感技术的发展需求日益迫切,对日光诱导叶绿素荧光定量化的遥感监测可以作为植被实际光合作用效果和碳循环效能评价的重要手段。介绍了“句芒”号卫星的有效载荷之一超光谱探测仪的性能指标、设计方案、系统组成、验证结果及在轨运行情况。超光谱探测仪是面向太阳诱导植被荧光探测的精密光学仪器,系统采用了推扫成像和光栅色散分光的技术方案,经过测试验证,光谱分辨率优于0.3 nm,地面像元分辨率达到1.5 km,典型输入辐亮度条件下系统信噪比优于500,各项指标均满足和优于探测任务需求,具备高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性的探测能力,其良好的表现将在植被监测和碳循环应用等方面发挥重要的作用。

Concave grating miniature spectrometer with an expanded spectral band by using two entrance slits

A new miniature spectrometer with two entrance slits is proposed to expand the spectral band. The proposed spectrometer is designed such that the two entrance slits share the same concave grating and detector array. The two slits are located at different positions such that the spectral range of the same light source incident on the detector array varies greatly between the two slits. Only one of the two slits is illuminated at a given time; as such, the two spectral ranges are sequentially measured. Theoretical calculation and experimentation are conducted to verify the proposed design.

Polarization insensitive arrayed-input spectrometer chip based on silicon-on-insulator echelle grating

Imaging spectrometers are most commonly used on satel- lites and aircrafts, including unmanned aerial vehicles （UAVs）, where the spare volume and weight are limited.