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。     

自带计量标准器的二维位移工作台研究

提出以平面正交衍射光栅作为二维位移工作台计量标准器的方法，随工作台的移动，光栅能同时检测一个平面上两个方向的位移．阐述了正交衍射光栅作为位置检测元件的工作原理及其光路布置方法。二次衍射光线的两两迭加，形成两组干涉条纹信号，且这两组干涉条纹信号的相移与光栅两个正交方向的位移呈正比，通过光电转换和计数细分处理电路得到条纹信号的相移；检测光路布置在工作台下方，通过几组直角棱镜使干涉条纹信号进入光电探测器．实验分析了工作台的测量精度，有效分辨率提高到10nm．     

线阵CCD多通道光谱仪及其应用

研制了一种基于线阵CCD的多通道光谱仪，该光谱仪以CCD为光谱探测器，取代了过去常用的光电倍增管，通过与光栅的结合实现了多通道光谱的同时测量，本光谱仪的光谱测量范围为400-700nm，光谱分辨率达到1.6nm（在波长为546.1nm处），由于采用了一维线阵探测器，与传统扫描式光谱仪相比，本光谱仪的检测速度得到了极大的提高，实验结果证明，本系统基本达到了预期的设计目标。     

数字离轴全息实验系统及其零级像分析

针对数字全息术中记录介质分辨率制约物参光的最大夹角给实验系统搭建带来的问题，提出一种数字离轴全息记录系统．该系统是将低频全息衍射光栅作为分光元件引入数字全息系统，利用光栅衍射的0级和＋1／-1级形成离轴全息记录光路，同时对再现像中零级进行了理论分析，并进行实验研究实验结果证明了该系统的可行性，并且具有光路系统简单、操作容易等特点．     

双光栅色散-汇合光谱成像效应的计算机模拟与实现

根据双光栅色散-汇合光谱衍射成像系统光路与光栅方程,用Python程序语言编写了双光栅衍射成像过程的模拟实验程序。文中给出了计算式、算法流程以及图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)的设计,所编写的程序不仅能模拟实际的双光栅色散-汇合光谱衍射成像实验,得到相关的实验数据,还能演示双光栅衍射成像过程中的光路变化与成像效果。     

双光栅色散 - 汇合光谱成像效应的计算机模拟与实现简

根据双光栅色散-汇合光谱衍射成像系统光路与光栅方程，用Python程序语言编写了双光栅衍射成像过程的模拟实验程序。文中给出了计算式、算法流程以及图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）的设计，所编写的程序不仅能模拟实际的双光栅色散-汇合光谱衍射成像实验，得到相关的实验数据，还能演示双光栅衍射成像过程中的光路变化与成像效果。     

二维光栅平面精密位移测量系统研究

文章利用二维衍射光栅作为测量基准进行平面微位移测量,采用偏振干涉的原理设计系统的光路。通过对干涉条纹的光电转换得到质量较好的正交信号,经对系统误差的补偿,把系统的测量结果与双频干涉仪进行对比,此系统可实现纳米级分辨率的二维平面测量。     

一种宽幅高分辨率CO2探测仪光学系统设计

为了实现空间载荷在高时间分辨率下对CO_2吸收光谱的高精度测量,以满足研究大气CO_2源和汇问题的需求,设计了一种宽幅高光谱分辨率CO_2探测仪光学系统。满足总体指标:轨道高度705 km,幅宽200 km,地面采样间隔2 km×2 km。通过采用浸没式衍射光栅作为分光元件,设计F数为1.8,光谱分辨本领20 000(光谱分辨率0.08 nm)的CO_2探测仪光学系统。光学系统由前置望远系统与类Littrow式分光系统组成。设计结果表明,系统实现了0.08 nm的高光谱分辨率,在系统奈奎斯特频率(25 lp/mm)处,系统的调制传递函数(MTF)优于0.65,探测器单个像元内衍射能量集中度高。系统具有良好的性能,满足应用需求。     

基于TMS320DM642的光栅型激光告警系统的设计与实现

为迅速无误地获得来袭激光的波长和方位角信息,根据光栅衍射原理,设计了基于TMS320DM642的光栅型激光告警系统。该系统采用优化的图像处理算法,能够迅速判别来袭激光。实验表明:该系统有效探测来袭激光波长范围为800~1 500 nm,精度为10 nm,角度分辨率为2°。     

基于多通道窄带滤波阵列的微型多光谱成像仪

设计出一种基于多通道窄带滤波阵列的微型多光谱成像仪.系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用多通道窄带滤波阵列在后光学系统进行分光,利用高精度载物台驱动实验目标进行推扫成像,选用USB总线作为数据采集的微机接口.整个系统由宽光谱光源、普通光学镜头、分光滤波片、面阵CCD成像装置、载物台自动装置以及数据采集和控制模块等几部分组成.系统的光谱范围从760 nm到900 nm,共16个波段,光谱分辨率＜10 nm.系统具有同时获取不同波长光谱信息、结构紧凑、成本低、可靠性强和小型化等优点;不仅能够提供目标在近红外的单波段光谱图像,而且能够获得图像中任意像素的光谱曲线,实现光谱技术和成像技术的结合.     

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.     

狭缝宽度对光栅光谱仪分辨率影响的实验研究

分辨率是光栅光谱仪的一个重要参数,但因为光谱仪的高度集成性,围绕光谱仪的实验教学往往侧重于教学生如何使用光谱仪,使学生很难直观地建立起分辨率与狭缝宽度之间的关系。该文从WGD-8A型多功能光栅光谱仪的结构与工作原理出发,以氢氘灯的656. 11 nm和656. 28 nm双线为对象,测量了不同入射狭缝宽度和出射狭缝宽度下氢氘灯656. 11 nm和656. 28 nm双线光谱,并对测量结果做了谱线拟合,获得了不同缝宽条件下的谱线半高宽度。实验结果表明,光栅光谱仪的分辨率随着狭缝宽度的增加而降低,其灵敏度对出射狭缝的变化更为敏感,为了使光谱仪获得最为理想的分辨率,应该将入射狭缝宽度设定在0. 35 mm附近,而将出射狭缝的宽度设定在0. 18 mm以内。     

新型宽带匹配网络在双路宽光谱AOTF成像技术中的应用

基于双路AOTF的宽光谱成像技术在偏振成像光谱仪中得到应用,其成像质量受AOTF衍射效率、光谱带宽等影响。其核心部件超声换能器阻抗失配时导致驱动功率无法最大限度的传递给换能器,使AOTF光谱衍射效率降低,3dB光谱带宽变窄,影响光谱图像有用信息的获取。采用压缩回波损耗技术,设计了一种基于LC拓扑结构及组合臂的宽频带、光谱衍射效率高的新型匹配网络。最终测得AOTF的光谱衍射效率最高达94％,光谱带宽小于5nm,提高了在420~1150nm波段范围内的光谱衍射效率及分辨率,实测目标的成像质量得到明显改善。     

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.     

宽光谱宽视角亚波长金属偏振分束器的研究

基于严格耦合波分析设计了一种亚波长金属偏振分束光栅,通过遗传算法优化出最佳光栅结构。该光栅在1429λ1700nm波段,TM波的0级透射率和TE波的0级反射率优于90%,入射角-27.5°θ27.5°时,光栅透射和反射消光比都大于20dB,达到了宽光谱、宽视角的要求。数值分析表明光栅对周期、槽深具有优良的工艺容差。     

基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器

针对扭转角度的精确测量问题,提出一种基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器.采用对温度不敏感的保偏光子晶体光纤作为扭转角度的传感单元,当保偏光子晶体光纤被旋转一定角度时,其双折射值会发生改变,进而影响光在环镜系统内的干涉情况,最终表现为光谱仪上干涉谱的移动.理论推导出系统的传感规律后,实验测得该传感器在扭转角度为0°~101°的范围内,灵敏度为0.061 7 nm/(°);若光谱仪分辨率为0.01 nm,则系统最小分辨力为0.16°,并具有超低的温度灵敏度-0.6 pm/℃.该角度传感器具有体积小、成本低、对温度不敏感及可用于远距离传输等优点.     

基于伸缩杆结构的光纤光栅多级应变传感器

为了扩大光纤光栅称重传感器的测量范围,提高传感器的测量精度,在理论上设计了一套新型的可以扩大测量范围、提高测量精度的系统,并通过Matlab平台仿真.结果表明,单级传感器在波长变化小于0.2nm时具有良好的线性度.该系统将双光纤光栅串联,分别粘贴于等强度梁的上下两侧,采用光强解调的方法实现对光纤光栅输出信号的解调;在解调基础上,利用伸缩杆结构传递载荷重力.实验测试结果验证了多级应变测量的可行性,在保证分辨力的同时扩大了传感器的测量范围.     

全息光栅干涉法测量曲面形貌的理论研究

基于光栅原理，提出一种可用于任意曲面形貌测量的全息光栅干涉的新方法，给出了光学原理实验系统，系统中采用拟氖激光不光源，反射型柱面全息衍射光栅为标准器，并用计算机软、硬件对光栅信号进行细分处理。实验表明，系统可获得较宽的动态范围和较高的分辨率，可用于测量曲面形貌。     

新型宽带匹配网络在双路宽光谱声光可调谐滤光器成像技术中的应用

基于双路声光可调谐滤光器(AOTF)的宽光谱成像技术在偏振成像光谱仪中得到应用,其成像质量受AOTF衍射效率、光谱带宽等影响。其核心部件超声换能器阻抗失配时导致驱动功率无法最大限度地传递给换能器,使AOTF光谱衍射效率降低。3 dB光谱带宽变窄,影响光谱图像有用信息的获取。采用压缩回波损耗技术,设计了一种基于LC拓扑结构及组合臂的宽频带、光谱衍射效率高的新型匹配网络。最终测得AOTF的光谱衍射效率最高达94%,光谱带宽小于5 nm,提高了在420~1 150 nm波段范围内的光谱衍射效率及分辨率,实测目标的成像质量得到明显改善。     

基于亚波长光栅消色差相位延迟器的研究

通过对亚波长光栅相位特性的研究,基于严格耦合波理论和遗传算法,设计了一种应用在光通信波段(1350~1750nm)范围内的亚波长光栅宽光谱消色差1/4相位延迟器,相位延迟量控制在90°±2°,衍射效率在80%以上。并对该光栅结构的工艺容差进行了分析,分析结果表明,所设计的光栅结构相位延迟量在合理范围内,符合工业生产相位延迟器的要求。