新型真空紫外光谱仪波长标定技术研究

新型真空紫外光谱仪是采用棱镜与中阶梯光栅的组合进行交叉色散、二维CCD作为接收器件的新型光谱仪.针对该类型的光谱仪光学系统特点,建立了一种基于物理解析的波长标定数学模型,并利用遗传算法对该数学模型的参数进行了优化,通过比较、分析优化前后的结果,参数优化后的模型在两个色散方向上的误差均为2像素,明显小于光谱仪本身6像素的最大分辨率,可满足仪器进行光谱分析时的要求.     

用二维全息光栅制作光学时钟分布中的全息光学元件

提出了用二维全息光栅制作自由空间光学时钟分布中的全息光学元件的方法.实验中采用类似于马赫 泽德干涉仪的光路;其中,物光为二维光栅中间的9个衍射级.分析了二维光栅各衍射级的衍射效率、位置及各衍射级之间的间距.初步实验得到了可产生二维3×3输出端的全息光学元件.理论分析表明,该全息光学元件可适用于3×3光敏面半径大于10μm的光探测器阵列.     

高灵敏度光纤光栅温度传感及其测试研究

本文报道了一种新颖的光纤光栅高灵敏度温度传感封装及一种高分辨率光纤光栅波长检测方法,波长变化分辨率可达0.002nm,应变分辨率为1.7με;光纤光栅增敏封装后温度灵敏性可提高7倍多,温度分辨率为0.03℃.     

一种高分辨率光栅光谱仪的光路设计

光谱仪在光纤通信系统中具有非常重要的作用,被用于探测光源光谱辐射特征,测量光源波长、功率和信噪比等关键指标。传统光栅光谱仪通过增加光栅线数和准直光路系统焦距的办法来提高分辨率,却带来成本高、仪器体积大、调试困难等问题。为此,研究提出了基于光栅四次衍射的光谱仪光路设计,通过棱镜和平面镜的多次反射,使光信号经过四次衍射,这可极大提高分辨率并减小光路体积。研究分析了新设计的光路原理,建立了四次衍射中波长与色散率、分辨力之间的关系方程式,并使用Zemax软件进行了仿真模拟。仿真结果与理论计算一致,均表明新光路设计能够满足600 nm～1700 nm波段分光,分辨力C波段大于20 pm,1700 nm时的最高分辨力为13 pm。     

准光技术在毫米和亚毫米波测量技术中的应用

反射光栅光谱仪是一种高分辨率的仪器,广泛地应用在光谱测量中.光栅光谱仪比起法—珀干涉仪测量波长其精度差些,但它工作起来方便,测量较快.本文工作是研究反射光栅光谱仪作为亚毫米波长的测量.我们用HCN 亚毫米波激射器作为实验用光源,也以它的337μm 谱线作为校准波长,以校验反射光栅光谱仪的测量准确度.激光器     

光学显微三维成像特性的实验研究

讨论了激光共焦扫描显微镜的三维超分辨率成像特性,通过实验论证了在理论分析上所具有的三维超分辨率成像特性.理论分析和实验结果表明这种新的显微系统可以成高分辨率的二维层析图像并重构成三维图像.     

光栅波像差理论的推广

克服M.Chrisp光栅波像差理论中存在的限制,使其适用范围得到推广.首先,用广义多项式表示光栅的面形方程,推导光栅的波像差系数,使该理论不仅适用于超环面,而且可适用于二次圆锥曲面等面形光栅的优化设计和成像分析;其次,以像散面作为参考波阵面,推导出光学系统出射波阵面为像散面,像面在非聚焦面处的几何像差计算公式;最后,应用Shadow光学追迹程序验证所得结论的正确性.     

基于严格耦合波理论的新型耦合光栅分析

针对波导全息平视器中一种新型的耦合光栅结构,基于严格耦合波理论数值分析了其衍射特性,同时对光栅的工艺容差进行了分析,计算了膜厚、槽深、周期与入射波长对耦合效率的影响.该光栅以波导板中内嵌的闪耀光栅锯齿面作基底,镀高折射率的膜层后,覆盖锯齿状的金属膜层.计算结果表明:对于波长532,nm的TE偏振光,空气中0°入射的一级衍射效率可大于90%;当空气中入射光的纵向角在[-8°,12°]、横向角在[-15°,15°]内变化时,一级衍射效率可大于82%且保持平稳.该光栅可在波导全息平视器中,对大视场成像光束进行均匀、高效的耦合.     

反射Talbot效应的高阶衍射及其在硅光晶上的成像应用

用纳秒脉冲激光在硅材料上制备一维和二维硅光子晶体结构,在这种一维和二维硅光子晶体上观测到反射泰伯(Talbot)效应成像。文中给出反射Talbot效应成像的理论模型,与传统的透射泰伯效应不同,反射泰伯效应有明显的泰伯距离变化和高阶衍射成像等现象。在反射泰伯效应成像中,相邻反射泰伯像之间的间距随像距增加呈线性增长;在泰伯距离间隔中,观察到交替的亮场和暗场成像。实验结果表明,选择适当输入光束的波阵面形状能够增大泰伯像的放大率,选择高阶衍射级能够提高泰伯像的分辨率。这种反射泰伯效应成像具有光路简洁和能够进行微区放大的特点,且不需将成像仪器放入样品室,这在硅基微加工与制备显微检测方面会有很好的应用。     

旋光退偏器用于星载光栅成像光谱仪分析

对紫外-可见光谱区星载光栅光谱仪的响应偏振敏感性的问题,采用加入退偏器的方法来消除仪器的偏振响应,保证成像光谱仪测量结果的准确性.退偏器根据大气偏振的特点采用简单双光楔结构旋光退偏器,给出了其退偏度理论表达式,计算分析了系统的线性偏振敏感度.采用矩阵计算法推导分析了退偏器的偏振像差矩阵和光学传递矩阵,重点分析了退偏器引入的双像对成像光谱仪像质的影响.分析结果表明,加入退偏器后,仪器偏振响应敏感度小于1%,系统MTF下降小于1.5%,像质满足使用要求,完全可应用于星载光栅成像光谱仪.     

基于有限衍射波的合成孔径三维超声成像

现有的三维(3D)超声成像由于受到二维(2D)传感器工艺复杂和传统聚焦成像中声波传播时间的限制,成像系统帧率和分辨率都比较低.为此提出了基于有限衍射波的合成孔径成像方法,该方法使用一维(1D)传感器发射有限衍射波声场,采用合成孔径技术对整个目标区域回波信号综合处理,利用Fourier变换进行成像.计算机仿真结果表明,该方法可以用来成像.在当前成像方法中,该方法可以同时获得较高的帧率和分辨率,并且降低了对传感器的要求,具有较大的发展应用空间.     

透射型亚波长二元闪耀光栅的数值模拟与分析

使用OptiFDTD对透射型亚波长二元闪耀光栅的透射场进行了数值模拟;使用FFT方法对电磁场分量进行分析,得到其各个级次的能量分布,进而分析了亚波长结构二元光栅的各个参数对衍射性能的影响。分析结果证实:透射型亚波长二元闪耀光栅可将正入射的TE波闪耀到 1级,且等分数对衍射角影响很小。给定波长,其设计主要由光栅周期、光栅材料折射率和等分数这3个参数决定。     

光谱仪谱线强度的修正

依据光栅光谱仪的工作原理,导出了光栅光谱仪中闪耀光栅在利特罗安装条件下的衍射效率表达式.得到了相应的衍射效率曲线,用其对实验测得的Ne光谱线的相对强度进行了修正.最后,说明了对于较大范围的光栅光谱强度测量值,分析了利用衍射效率进行修正的必要性、有效性和可行性.     

基于二维指数脉冲压缩变换的SAR成像算法

传统的合成孔径雷达(SAR)系统一般采用经典的匹配滤波器实现距离维和方位维的二维脉冲压缩变换,其基于匹配滤波器的系统带宽导致系统分辨率是有限且固定的.当对输出信噪比和目标时延分辨率有不同要求时,具有可变指数的指数滤波器可根据具体需求在充分保证输出信噪比的情况下产生高于匹配滤波器的目标分辨率.本文基于指数滤波器将距离维和方位维上的二维指数脉冲压缩变换应用于SAR成像算法,即先后将信号通过距离维和方位维指数滤波器,以实现SAR高分辨率成像.仿真结果表明,该算法在距离维和方位维两个维度都具有比传统SAR算法处理结果更窄的主瓣宽度和更低的旁瓣高度,有效提高了距离维和方位维的分辨率.     

LAMOST多目标光纤光谱仪的研制及试运行

LAMOST望远镜（郭守敬望远镜）配置了16台低分辨率多目标光纤光谱仪,一次曝光可同时获得4000个天体的光谱信息.LAMOST低分辨率光谱仪采用新型体位相全息光栅,双通道大视场施密特光学系统,准直光束口径200mm.每台光谱仪分红、蓝区两个通道,红蓝区各配置按工作波段优化的4K×4K科学级CCD芯片,CCD采用液氮制冷.光谱仪波长覆盖范围370～900nm,光谱分辨率R=1000～10000.研制完成后的16台光谱仪安装于国家天文台兴隆观测站LAMOST焦面楼光谱房内,这些光谱仪已经用于科学试观测并取得了一批科研成果.     

网格衍射研究

应用付里叶变换讨论了以网格（二维正交粗光栅）为衍射屏的双（线）光源衍射理论，并介绍了用网格衍射测量光波波长或网格常数的实验方法。     

小型光纤光谱仪的研制

通过ZEMAX光路优化设计,采用CPLD和USB接口技术以实现CCD高速驱动和数据传输。该系统使用光纤束进行导光、平面衍射光栅对采集到的光分光后,由线阵CCD进行光电转换;并利用相关双采样技术,获得相应光强分布数据,再利用最小二乘法对光谱仪进行标定。研究结果表明该光谱仪波长准确度优于1nm,波长重复误差小于0.2nm。     

基于非相干数字全息的多光谱成像技术

结合菲涅耳非相干数字全息和光谱成像技术的优点,提出能同时获得物体三维空间信息和光谱信息的四维成像系统,即在非相干数字全息系统中引入可调滤波器.在非相干光源照明下,记录三维物体在不同记录波长下的全息图,经数值处理获得物体不同波长的再现像.从波动光学的角度分析了该系统的点扩散函数,给出了再现距离与记录波长之间的关系.采用该系统对分辨率板单通道成像实验和多光谱成像实验进行了验证.     

棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光谱分辨率研究

为研究基于棱镜-光栅-棱镜模块(以下简称PGP模块)、光谱范围在400~1 000 nm成像光谱仪的光谱分辨率问题,提出了PGP光谱仪角色散、线色散的计算方法,并理论推导出计算PGP成像光谱仪光谱分辨率的方法.研究表明,适当减小倒线色散率、狭缝宽度、光栅周期和CCD像素尺寸,都可以提高PGP光谱仪的光谱分辨率,但若仅减小狭缝宽度,又会使进入系统的光通量减少,影响系统的信噪比.用SPECIM公司的IMSPECTOR V10系列产品相应参数的对比,印证了光谱分辨率与倒线色散率、狭缝宽度的关系.     

闪耀光栅衍射图样分析

通过对闪耀光栅衍射图样的二维展示,强调了单槽衍射"零级"的意义。首次用三维图演示了特定条件下闪耀光栅仅有一序光谱呈现,入射光波长取闪耀波长时谱线强度有最大值存在,离开闪耀波长时强度逐渐下降;随着入射光波长范围的扩大甚至会出现多序光谱的重叠。