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中阶梯光栅衍射效率及杂散光检测系统设计

光谱学与光谱分析 2017年第8期37卷 2603-2609页

作者：沈春洋崔继承孙慈王玮陈建军李晓天中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

中阶梯光栅具有刻线密度低、闪耀角度大、衍射级次高、光谱范围宽、色散率大、光谱分辨率高等一系列突出优点,近年来由于其优良的性能而倍受青睐。作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能,能够准... 详细信息

中阶梯光栅具有刻线密度低、闪耀角度大、衍射级次高、光谱范围宽、色散率大、光谱分辨率高等一系列突出优点,近年来由于其优良的性能而倍受青睐。作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能,能够准确地进行中阶梯光栅衍射效率和杂散光系数的测量是光栅应用的前提。鉴于此,基于中阶梯光栅的衍射理论创造性地提出用一套系统对中阶梯光栅的衍射效率和杂散光系数进行检测,该系统引入双轨结构,具有结构简单新颖、一机多能等优点。通过理论分析和计算,确定了检测系统的结构参数,设计结果表明:该检测系统可用于测量190~1 100nm光谱范围内的中阶梯光栅绝对衍射效率,同时也可用于测量200~800nm光谱范围内的中阶梯光栅杂散光系数,实现了将衍射效率测量和杂散光测量集于一体的设计思想。

关键词：中阶梯光栅衍射效率杂散光光学设计

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中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定

光学精密工程 2010年第10期18卷 2130-2136页

作者：唐玉国陈少杰巴音贺希格崔继承陈今涌中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100039

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系,建立了3个变换矩阵M1,M2和M3,由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关... 详细信息

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系,建立了3个变换矩阵M1,M2和M3,由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关系的谱图矩阵Mλ-XY,利用中心波长与自由光谱区特性获得了理想的无重叠谱图数据模型。提出了信号光斑识别方法,并对信号光斑位置坐标进行准确定位;结合所建立的谱图数据模型,实现了对二维重叠谱图的快速还原与标定。实验结果表明:该方法在中阶梯光栅光谱仪谱图分析中不仅实时性强,而且波长精度可达0.01nm,满足中阶梯光栅光谱仪高分辨率、全谱瞬态直读等要求。

关键词：中阶梯光栅谱图还原波长标定中心波长自由光谱区

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中阶梯光栅铝膜的大压深纳米压痕试验

机械工程学报 2012年第20期48卷 39-44页

作者：石广丰史国权徐志伟刘哲蔡洪彬张宝庆长春理工大学机电工程学院长春130022

为研究光栅铝膜在机械刻划深度范围内的弹塑性变形特征,通过纳米压痕仪的Berkovich压头对现有79 g/mm中阶梯光栅铝膜进行大压深连续纳米压痕试验测试。按10 s-10 s的加-卸载方式进行压深步0.5μm、最大压深5.0μm、每个压痕步重复6次的... 详细信息

为研究光栅铝膜在机械刻划深度范围内的弹塑性变形特征,通过纳米压痕仪的Berkovich压头对现有79 g/mm中阶梯光栅铝膜进行大压深连续纳米压痕试验测试。按10 s-10 s的加-卸载方式进行压深步0.5μm、最大压深5.0μm、每个压痕步重复6次的连续压痕试验,获得整个压深尺度范围内弹性模量、硬度、最大回弹量、等效回弹锥角和回弹系数随压深的变化规律。光栅镀铝膜层材料的弹性模量、硬度在浅表层体现出较强尺寸效应,同时在镀铬过渡层和玻璃基底综合效应的影响下出现"拐点"极值;残余压痕的最大回弹量随压深近似线性增加,但是相对压深的回弹量、等效回弹锥角和回弹系数均随压深减小,这表明光栅铝膜在机械刻划深度范围内的回弹性能受压入深度的影响较大。这对于认识现有中阶梯光栅镀铝膜层材料的力学性能并改进镀膜工艺具有重要意义。

关键词：中阶梯光栅铝膜纳米压痕尺寸效应基底效应回弹

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中阶梯光栅光谱仪的光学设计

光学精密工程 2010年第9期18卷 1989-1995页

作者：唐玉国宋楠巴音贺希格崔继承陈今涌中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100039

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czer... 详细信息

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2000～15000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。

关键词：中阶梯光栅光谱仪中阶梯光栅光学设计交叉色散

基于DMD的中阶梯光栅光谱仪光谱信号处理方法及软件

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基于DMD的中阶梯光栅光谱仪光谱信号处理方法及软件

作者：姜闻宇吉林大学

学位级别：硕士

中阶梯光栅光谱仪是一种采用交叉色散技术以获得高级次光谱并实现全波段闪耀的光谱仪。因其具有覆盖波段范围宽、光谱分辨率高、无可移动部件等特点被广泛应用于医疗、工农业以及食品安全等领域。目前中阶梯光栅光谱仪的检测器主要采用... 详细信息

中阶梯光栅光谱仪是一种采用交叉色散技术以获得高级次光谱并实现全波段闪耀的光谱仪。因其具有覆盖波段范围宽、光谱分辨率高、无可移动部件等特点被广泛应用于医疗、工农业以及食品安全等领域。目前中阶梯光栅光谱仪的检测器主要采用电荷耦合器件,这类检测器在紫外波段的量子效率较低,可通过将检测器改进为背照式或者镀荧光膜将短波转化为长波检测,进而改善紫外波段的灵敏度,但会提高仪器成本。此外,可以通过延长积分时间提高信噪比,但检测时间会增加。基于数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)的中阶梯光栅光谱仪由于引入了DMD作为空间光调制器,可以实现检测范围内任意波长的快速选择,并通过搭配高灵敏度的光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)作为检测器,能够对光谱信号进行快速、高灵敏度检测。光谱信号处理方法及软件是光谱仪的重要组成部分,为了配合基于DMD的中阶梯光栅光谱仪正常工作,本文研究了专用的光谱信号处理方法,并开发了专用软件,最终进行了测试实验。本文主要研究工作如下:(1)基于DMD的中阶梯光栅光谱仪光谱信号处理方法研究光谱信号预处理方法,包括空间域滤波及背景扣除方法。针对DMD测量谱图时快速且可选取任意位置测量的特点,运用统计的思想,可迅速、准确地计算出测量谱图的背景并扣除。针对仪器周围环境变化以及棱镜折射率偏差导致的波长偏移问题,为了保证准确绘制一维谱图,提出了一种波长标定方法,根据实测特征波长信号的质心位置重新拟合折射率并校正谱图还原模型。提出了一种波长提取方法,该方法能够在提升谱图信息处理速度的同时,避免因相邻级次之间距离过近而引起的假峰现象,提高了波长提取精度。(2)基于DMD的中阶梯光栅光谱仪专用软件开发根据仪器的特点分析了软件需求,并制定了软件与下位机之间的通信协议,在此基础上采用MATLAB与C#联合编程的方式开发专用软件。软件包括UI交互界面以及控制部件等,具有联机、对DMD及PMT的控制、数据采集、谱图数据处理、谱图显示以及数据存储的功能。(3)测试实验运用砷(As)、铋(Bi)、镉(Cd)、铅(Pb)、锡(Sn)元素的无极放电灯进行波长标定,并运用汞(Hg)元素无极放电灯进行波长提取及软件的功能验证。将基于DMD的中阶梯光栅光谱仪用于ICP-AES系统测量铜(Cu)元素的标准样品进行现场测试。本文所提出的方法与软件已成功应用于课题组研制的基于DMD的中阶梯光栅光谱仪,实验表明波长提取精度小于0.012nm。

关键词： DMD 中阶梯光栅光谱仪波长标定波长提取软件开发

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中阶梯光栅刻划误差要求分析

光电工程 2013年第9期40卷 68-75页

作者：丁卫涛黄元申张大伟杨海马上海市现代光学系统重点实验室教育部光学仪器与系统工程中心上海理工大学光电信息与计算机工程学院

中阶梯光栅作为高色散和高分辨率光学器件,已经广泛的应用于大型光谱仪器之中。在中阶梯光栅的刻划过程中,存在刻划误差,这将严重影响光栅衍射性能,最终使得衍射效果产生缺陷。针对此情况,定量分析了中阶梯光栅的刻划误差对衍射光谱、... 详细信息

中阶梯光栅作为高色散和高分辨率光学器件,已经广泛的应用于大型光谱仪器之中。在中阶梯光栅的刻划过程中,存在刻划误差,这将严重影响光栅衍射性能,最终使得衍射效果产生缺陷。针对此情况,定量分析了中阶梯光栅的刻划误差对衍射光谱、衍射级次、波前误差、鬼线强度、杂散光强度的影响以及提出了一种从衍射效率角度分析刻划误差的方法。在满足一定条件下,求得上述因素对应的刻划误差分别为:1 265.8 nm、352 nm、37 nm、112 nm、3.4 nm。这对光栅刻划时限定刻划机的刻划精度提供了直接和重要的参考。

关键词：刻划误差误差分析中阶梯光栅衍射效率

具有大面积均匀性、高质量的大尺寸中阶梯光栅铝膜的研究

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物理学报 2014年第15期63卷 388-393页

作者：李资政杨海贵王笑夷高劲松中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学技术中心中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室长春130033 中国科学院大学北京100049

大尺寸中阶梯光栅具有大孔径和极高的衍射级次,可以实现普通光栅难以达到的极高光谱分辨率,而制备大面积均匀性的高质量铝膜是实现高性能大尺寸中阶梯光栅的关键因素.本文首次详细报道了具有大面积均匀性、高质量的大尺寸中阶梯光栅铝... 详细信息

大尺寸中阶梯光栅具有大孔径和极高的衍射级次,可以实现普通光栅难以达到的极高光谱分辨率,而制备大面积均匀性的高质量铝膜是实现高性能大尺寸中阶梯光栅的关键因素.本文首次详细报道了具有大面积均匀性、高质量的大尺寸中阶梯光栅铝膜的制备工艺.首先通过理论计算模拟了蒸镀过程中蒸发源的位置、发射特性以及夹具高度对铝膜均匀性的影响,然后研究了关键的蒸发工艺参数,例如蒸发速率、蒸发高度等对铝膜均匀性和铝膜质量的影响,最后在最佳化的蒸发工艺条件下,成功制备出满足大尺寸中阶梯光栅用的在直径700 mm范围内的均匀性小于1%、厚度大于10μm的高质量铝膜.

关键词：中阶梯光栅高质量铝膜大面积均匀性表面粗糙度

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纯转动拉曼激光雷达中阶梯光栅单色仪设计

光谱学与光谱分析 2013年第2期33卷 567-570页

作者：葛宪莹陈思颖张寅超陈和郭磐步志超陈胜哲北京理工大学光电学院北京100081

纯转动拉曼激光雷达测温系统通常根据大气中N2分子高低阶量子数的转动拉曼散射回波信号来反演大气温度,而探测转动拉曼谱的一种有效方法就是采用单色仪。文章阐述了中阶梯光栅单色仪的探测原理和结构,分析了探测谱线的高阶和低阶量子数... 详细信息

纯转动拉曼激光雷达测温系统通常根据大气中N2分子高低阶量子数的转动拉曼散射回波信号来反演大气温度,而探测转动拉曼谱的一种有效方法就是采用单色仪。文章阐述了中阶梯光栅单色仪的探测原理和结构,分析了探测谱线的高阶和低阶量子数及对应的拉曼散射波长。通过对中阶梯光栅的分光原理及色散能力分析计算了准直-聚焦系统的焦距,给出了光学系统的设计参数。利用Zemax软件对光路进行了模拟仿真,仿真结果表明:在探测激光波长为532nm的条件下,采用两块中阶梯光栅设计的单色仪,能够将529.05,530.40,533.77和535.13nm的拉曼谱线很好的分开,同时对对称量子数的谱线信号进行求和,增强系统的信噪比。中阶梯光栅单色仪体积较小,利于测温雷达系统的小型化。

关键词：中阶梯光栅拉曼谱线激光雷达大气温度

基于中阶梯光栅光谱仪的激光诱导等离子体分析系统研究

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光谱学与光谱分析 2018年第5期38卷 1605-1609页

作者：张锐朱继伟刘建利崔继承李晓天巴音贺希格中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了满足激光诱导等离子体分析系统(LIPS)对分光系统的分辨率,光谱范围,体积等多方面要求。本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪,该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息,令LIPS系统可实现快速在线实时分析。并且,该光谱仪采用可调节... 详细信息

为了满足激光诱导等离子体分析系统(LIPS)对分光系统的分辨率,光谱范围,体积等多方面要求。本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪,该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息,令LIPS系统可实现快速在线实时分析。并且,该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器,令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱,提高了整个系统的信噪比。最后,搭建了一套激光诱导等离子体分析系统,对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。通过对合金样品测试,整个系统的分辨率达0.02nm,光谱范围覆盖190~600nm。并且研制的LIPS系统光谱重复性较好,特征元素波长提取误差不超过0.01nm,可较准确的对样品成分进行分析。

关键词：分辨率中阶梯光栅中阶梯光栅光谱仪激光诱导等离子体谱