基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计
《基于扫描激光器的光纤光栅解调仪研究》范文
《基于扫描激光器的光纤光栅解调仪研究》篇一一、引言随着科技的进步，光纤光栅传感器在众多领域得到了广泛的应用，如航空航天、土木工程、智能交通等。
光纤光栅传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、长距离传输等优点，成为了现代传感技术的重要分支。
然而，如何准确、快速地解调光纤光栅的信号，一直是研究的热点和难点。
本文将重点研究基于扫描激光器的光纤光栅解调仪，探讨其原理、性能及实际应用。
二、光纤光栅及解调技术概述光纤光栅是一种利用光纤内折射率周期性变化制成的光子器件，具有良好的温度、应变、压力等物理量的传感性能。
其解调技术是指通过某种手段将光纤光栅中的光谱信息转换为电信号，以实现对外界物理量的精确测量。
目前，常见的解调技术包括光谱分析、干涉解调等。
三、基于扫描激光器的光纤光栅解调仪原理基于扫描激光器的光纤光栅解调仪是一种采用扫描激光器对光纤光栅进行扫描解调的技术。
其原理是通过扫描激光器发出激光光束，对光纤光栅进行扫描，使光栅反射的光信号发生变化，通过检测这种变化来获取外界物理量的信息。
四、解调仪的性能研究1. 精度与灵敏度：基于扫描激光器的光纤光栅解调仪具有较高的精度和灵敏度。
其能够精确地检测出光纤光栅的微小变化，从而实现对物理量的精确测量。
2. 稳定性与可靠性：解调仪采用高精度的扫描系统，能够保证长时间的稳定工作，具有良好的可靠性。
此外，其采用先进的数据处理技术，可有效提高测量结果的准确性。
3. 动态范围与响应速度：解调仪具有较大的动态范围，能够适应不同强度的光信号。
同时，其响应速度快，可实现对物理量的实时监测。
五、实际应用基于扫描激光器的光纤光栅解调仪在众多领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，其可用于飞机结构健康监测、卫星姿态控制等；在土木工程领域，可用于桥梁、大坝等结构的安全监测；在智能交通领域，可用于车辆速度、路况等信息的实时监测。
此外，该解调仪还可应用于石油化工、医疗健康等领域。
六、结论基于扫描激光器的光纤光栅解调仪以其高精度、高灵敏度、高稳定性等优点，为光纤光栅传感技术的发展提供了强有力的支持。
光纤光栅传感器原理及应用毕业论文
摘要光纤光栅作为近几十年来快速发展起来的新型光电子无源器件，在光纤通信和光纤传感领域得到广泛应用。
由于它具有体积小、灵活、无源、波长选择性好、带宽范围大、附加损耗小、极化不敏感、不受非线性效应影响、易与光纤系统连接以及偏振相关小等诸多优点，是一种应用前景非常广的光电子无源器件。
本论文对光纤光栅的发展、基本原理进行了详细介绍。
列举了几种光纤光栅的理论分析方法，并对耦合模理论和传输矩阵法进行了深入探讨。
还对光纤光栅的各种制作方法进行了比较，总结出它们的优缺点。
最后列举了一些光纤光栅的应用。
关键词：非均匀光纤光栅;耦合模理论;传输矩阵法;逐点写入法;光纤光栅传感器ABSTRACTThe fiber grating is a kind of new optoelectronic of passive components, which was quickly developed and widely applied in the areas of optical fiber communication and optical fiber sensing in recent decades. Optical fiber grating has many unique features, such as little size, light weight, flexible, passive, wavelength selective, wide bandwidth, small dissipation, polarization insensitive, unaffected by nonlinear effect and easy to connect with fiber optic system etc., which is one kind of optical passive components which has wide application prospects.This article details the development of fiber grating,the basic principle.And lists several theoretical analysis methods.It also studies coupled-mode theory and transfer matrix method deeply.It compares various production methods of fiber grating,and summarizes their advantages and disadvantages.At the last,the article lists a number of applications of the fiber grating.Keywords:Non-uniform fiber grating;Coupled-mode theory;Transfer matrix method;Point by point writing method;Fiber grating sensor目录摘要 (I)ABSTRACT (I)1、绪论 02、光纤光栅的基本原理 (2)2.1 光纤光栅 (2)2.2 光纤光栅谱 (4)2.3 非均匀光纤光栅 (4)3、光纤光栅理论的分析方法 (6)3.1 耦合模理论 (6)3.2 传输矩阵法 (10)4、光纤光栅的制作方法 (11)4.1 纵向驻波干涉法 (11)4.2 相位掩膜法 (12)4.3 振幅掩模法 (13)4.4CO激光逐点写入法 (13)25、光纤光栅的应用 (15)5.1光纤激光器 (16)5.2半导体激光波长选择与稳定器 (16)5.3光纤放大器增益平坦化器件 (16)5.4色散补偿与脉冲压缩 (17)5.5光纤光栅在光通信中的其他应用] (18)5.6光纤光栅传感器 (18)6、总结...........................................................................................错误!未定义书签。
光纤光栅解调仪设计方案报告
光纤光栅解调仪设计方案报告目录1概述 (3)2产品功能和用途 (4)3技术要求 (4)4技术方案 (5)4.1方案概述 (5)4.2产品组成和原理框图 (5)4.2.1产品组成 (5)4.2.2原理框图 (5)4.3硬件设计 (6)4.3.1可调谐窄带光源 (6)4.3.2波长校准 (13)4.3.3光电探测器模块 (16)4.3.4数据采集与控制模块 (18)4.3.5其它光学器件 (20)4.4新技术、新材料、新工艺采用情况 (23)5关键技术的解决途径 (23)5.1波形同步循环 (23)5.2信号处理 (24)5.3增加系统光功率 (26)6可行性分析 (26)1概述光纤光栅解调仪作为光纤光栅类传感器的通用解调设备，是与光纤光栅类传感器配套的不可或缺的设备。
光纤光栅解调仪是对光纤光栅中心反射波长的微小偏移进行精确测量，波长解调技术的优劣直接影响整个传感系统的检测精度，因此光纤光栅波长解调技术是实现光纤光栅传感的关键技术之一。
光纤光栅温度传感器光纤光栅振动传感器光纤光栅压力计图1光纤光栅解调仪在结构健康监测系统中的应用光纤光栅解调仪在结构健康监测有着非常重要的作用，它将光纤光栅传感器的波长信号解算出来，并传送给计算机，计算机里的上位机程序将各种波长信号转化为待测物理量的特征信号，即可对结构实行实时的监测。
在结构健康监测系统中，如图1所示，传感器为网络中树叶，解调仪为树根，树干为传输光纤。
解调仪的通道数量决定了树干光纤的芯数。
多个解调仪即构成的树状结构组成了森林，该森林中树的数量仅受到计算机局域网内的IP地址限制。
从一定程度上说，光纤光栅解调仪决定了一套结构健康监测系统的成本。
为了实现被测物理量的高精度测量，在过去的十多年里，相关科学家在光纤光栅传感器技术的研究和应用方面取得了突破性的进展，提粗了许多解调方法来检测光纤光栅中心波长的微小变化，比较典型的有：匹配滤波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪法，可调谐光纤光栅滤波器法、可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波器法等，如表1所示。
光栅刻制技术
世界上最好的中阶梯（Echelle）光栅的刻制沈良华、徐子培编译ICP光学性能Thermo Elemental 的IRIS全谱直读ICP光谱仪一族采用了一个高度最佳化的光学系统，即其中阶梯光学系统与ICP光源和CID检测器达到最佳匹配，从而获得最大的光强输出。
Thermo Elemental有一个采用最好光学元件的悠久历史，以致她所生产的每台光谱仪都能保证得到最佳的性能。
Thermo Elemental独特的、专业化的技能是生产高性能光学光栅的保证。
在这份技术短文中(作者为Robert J. Krupa博士和Eugene R. Pereira光学光栅工程师)，我们很自豪地叙述了Thermo Elemental制造光学光栅的历史，并介绍了刻制世界上最好的中阶梯光栅的过程。
制造光学光栅的历史光栅是光学光谱仪的心脏部分。
在过去的50年中，电子、软件及自动化都得到快速的发展，而光栅的改进却是滞缓而固难。
1949年George R Harrison在马省理工学院（MIT）发明了中阶梯光栅。
中阶梯光栅解决了一个在刻制光栅时所碰到的问题，即如何制止钻石工具的磨损问题。
即使光栅是刻制在相当柔软的材料，如铝、金和铜上，当在金属表面上精细地加工光栅时，这些金属也将很细微地磨损钻石工具。
钻石工具的磨损将导致整个光栅刻槽形状的改变，使其分辨率降低而杂散光增强。
我们可以设想一下，在一块面为50X100mm的空白光栅上，刻制每毫米为2400线的光栅，钻石工具将在表面材料上走动12000 m （相当7.5英里）。
为了获得优于2400条/mm刻线光栅的分辨率，同时降低钻石工具的走刀路程，Harrison设计了中阶梯光栅，中阶梯光栅每毫米仅为50条刻线，在相同的50X100mm的空白光栅上，钻石工具走动250m（相当820英尺）！今天，我们采用中阶梯光栅不但是因为减少了钻石刀头的磨损，而且是因为当它与棱镜交叉色散时可获得的高分辨率二维中阶梯光谱，该二维光谱与电荷转移阵列检测器（例如CID）实现最佳匹配。
光栅式光谱仪原理 ppt课件
m.............................2( ) 2 2
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4
（1）和（2）可得相邻两光线干涉极大值的条件——光栅方程式为：
dsin i sin m.......... .......... ....(3)
0级
1级 短波λ
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光栅的分辨率
光栅的分辨率也是以
R d
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8
R mN d
提高光谱级次 m ，增加总刻线数 N ，可增大分辨率 R
。
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9
三、光栅式单色仪系统图
M
发散光
平行光
会聚光
平行光
衍射光
图12－11
S2
S1
M1 N
N G
入射狭缝S1和出射狭缝S2都位于色散系统的同一侧，都在M的焦面上。 由入射狭缝S1发出的光束，经凹面反射镜M反射后成为平行光束，投 射到光栅G上，经光色散后的光束重新投射到M上，经M聚焦由平面镜 M1转折到S2狭缝射出。
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四、光栅的转动机构
α i
i
δ=900
B
φ
N
β
λ
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看谱分析是一种目视发射光谱分析方法。
试样反射的光经准直物镜6变平行光，经光栅分光， 再经6聚焦成像，被显微放大在目镜11附近，可供观察。 观察者可直接观察到视场光栏9处的彩色图谱。
1.光源、 试样
8
9.视场 10显微
θi
长波λ
图12-8
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5
m 0 其位置对应于反射方向，即 i
中阶梯光栅光谱仪的光学设计
中阶梯光栅光谱仪的光学设计唐玉国;宋楠;巴音贺希格;崔继承;陈今涌【摘要】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200～500 nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350 nm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2 000～15 000,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.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)009【总页数】7页(P1989-1995)【关键词】中阶梯光栅光谱仪;中阶梯光栅;光学设计;交叉色散【作者】唐玉国;宋楠;巴音贺希格;崔继承;陈今涌【作者单位】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,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;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,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;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】TH744.11 引言普通闪耀光栅用于光谱仪器时，为了避免级次重叠只能使用低衍射级次（如－1级或－2级）。
LIBS中阶梯光栅光谱仪实现技术及数据处理算法
•引言•Libs光谱仪概述•Libs中阶梯光栅光谱仪实现技术•Libs光谱仪数据处理算法•实验及结果分析目•结论与展望录光谱学是一种基于物质与辐射相互作用原理，对物质进行定性和定量分析的科学方法。
在环境监测、生物医学、材料科学等领域，光谱学具有广泛的应用价值。
LIBS（激光诱导击穿光谱）技术是一种基于等离子体辐射的遥感技术，具有实时、快速、无需样品处理等优点，适用于现场分析和测量。
在LIBS中阶梯光栅光谱仪实现技术和数据处理算法方面，仍存在许多挑战和难点，亟待研究和解决。
背景及意义国内外研究现状和发展趋势010203研究内容和方法研究内容方法Libs光谱仪基本原理由激光器、光学系统、样品室、探测器等组成。
特点包括：结构简单、体积小、重量轻、操作简便、快速、高灵敏度、高分辨率等。
Libs光谱仪结构及特点在环境监测、工业过程控制、食品安全、医学诊断等领域得到广泛应用。
如：大气中污染物的监测、工业废水处理过程的控制、食品中重金属的检测、医学诊断中的元素分析等。
Libs光谱仪应用领域VS光学系统设计反射式和透射式光栅的选择光学元件的精度要求光学系统设计原则03散热设计和稳定性设计机械结构优化设计01机械结构总体设计02光路设计控制系统实现控制系统的硬件组成包括微处理器、信号处理电路、AD/DA转换器、传感器等部分。
控制算法设计根据实际需求，设计合适的控制算法，如PID控制、模糊控制等，实现波长扫描或能量扫描等功能。
与上位机的通信接口设计合适的通信接口，实现与上位机的数据传输和控制指令交换。
光谱数据预处理030201光谱数据解析与特征提取波峰检测消除基线漂移和弯曲，使光谱数据更加平直。
基线校正分辨率调整特征提取01020403提取光谱数据的特征，包括波长、强度、波形等。
识别光谱数据的波峰和波谷，提取特征峰的位置和强度。
调整光谱数据的分辨率，使其满足分析需求。
光谱数据分类与识别分类算法特征选择模型训练模型评估实验设备与方法实验设备高精度光谱仪、激光器、控制电路、光学平台、计算机等。
光栅光谱仪的使用
光栅光谱仪的使用实验预习报告学院机械工程班级物流1602学号41604561姓名潘菁一、实验目的与实验仪器【实验目的】1）了解平面反射式闪耀光栅的分光原理及主要特性。
2）了解光栅光谱仪的结构，学习使用光栅光谱仪。
3）测量钨灯和汞灯在可见光范围的光谱。
4）测定光栅光谱仪的色分辨能力。
5）测定干涉滤光片的光谱透射率曲线。
【实验仪器】WDS-3平面光栅光谱仪，汞灯，钨灯&氘灯组件，干涉滤光片等。
二、实验原理1.平面反射式闪耀光栅原理（1）平面反射式光栅与光栅方程平面反射式光栅是在衬底上周期地刻划很多细微的刻槽，表面涂有一层高反射率金属膜，其横断面如图所示。
平面反射式光栅衍射如图所示。
()λθksin=sin+id=这是平面反射式光栅的光栅方程，其中d为光栅常数，k是光谱级。
规定衍射角θ恒为正，i 与θ在光栅平面法线的同侧时为正，异侧为负。
在常用的平面光栅光谱仪中，安放光栅的方式使光栅方程转化为λθk d =sin 2从上式可以看出，λk 值相同的谱线，衍射角度θ相同，即在相同的衍射角度θ出现衍射级次为、、、321===k k k …不同波长的光同时出现的情况，这些波长满足32321λλλ==的关系。
（2）闪耀问题图是N=4时的光栅相对光强分布曲线。
从图中可以看到，θααsin sin -曲线是包在θββsin sin sin -N 曲线外面的“包络”，它决定后者在什么地方高、在什么地方低，即决定光谱线的强度。
由此可见，衍射因子决定光谱线的强度，干涉因子决定光谱线的位置。
在常用的平面光栅光谱仪里，所拍摄的光谱满足i =θ，可以推出这时有γθ==i ，有kd γλsin 2=通常把这个波长叫做闪耀波长。
2.平面光栅光谱仪结构与组成本实验所用平面光栅光谱仪外观如图所示。
光栅光谱仪主要由光学系统、电系统和计算机组成。
整套仪器由计算机控制。
（1）光学系统光栅光谱仪光学系统原理如图所示。
光源发出的光进入狭缝S1，S1位于反射式准光镜的焦面上，通过S1射入的光束M1反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光经物镜成像在S2上。
中阶梯光栅光谱仪原理
中阶梯光栅光谱仪原理
中阶梯光栅光谱仪是一种采用中阶次光栅作为光谱传感器的光谱仪，具有体积小、重量轻、成本低等优点，适合于野外和实验室使用。
当光束通过中阶次光栅时，衍射光形成以阶梯状的光栅为敏感元件的线阵列探测器。
由于光栅的光程不同，产生了不同波长的色散效应，从而形成了不同波长的线阵列探测器。
根据入射光束所经过的光栅数，可以计算出待测物体上反射波的波长。
通过对待测物体上反射波和透射波波长的测量，就可以获得待测物体的光谱特性。
中阶次光栅光谱仪具有如下特点：
1.它是一个线阵列传感器；
2.它具有简单、易读、易用等优点；
3.它是一个单级光谱仪，只有一个探测器。
中阶次光栅光谱仪利用了光线的干涉原理，即通过不同狭缝的光线具有不同波长；通过与一定波长相对应的光栅对，产生了干涉现象；在光谱探测器上可以显示出干涉条纹。
用光栅做光谱仪主要有以下几个优点：
1.它可以在同一系统中实现光谱测量、定位和定标；
— 1 —
2.它能实现对目标物质的定量分析。
— 2 —。
一种小型中阶梯光栅光谱仪的光学设计
一种小型中阶梯光栅光谱仪的光学设计冯帆;段发阶;伯恩;吕昌荣;梁春疆【摘要】With the rapid development of spectral analysis technology in the information age, spectral instrument becomes a preferred access to information in various fields for its performance like high precision, low intrusion and small form factor. With the basic theory of optical design as guidance, echelle grating as key part, high resolution and wide detection wavelength as design target, a small size echelle spectrograph based on Czerny-Turner optical structure is designed. The structure of the system parameters is obtained based on the theoretical computation, and the optical system is simulated by the optical design software Zemax. The design results show that the theoretical resolution of the system, which works in the spectrum range from 200 nm to 800 nm, is better than 0.1 nm.%随着信息时代光谱分析技术的飞速发展，光谱仪器的高精度、低干扰、体积小型化等性能优势使其成为各领域各行业的优选信息获取手段。
棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计
棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计
棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统是一种用于获取连续的多波长
图像的光学设备。
该系统通过经过凹面棱镜反射、分光光栅分散、再经过凸面棱镜成像的方式，实现了对多波长光束的同时捕获和处理。
该光学设计的重要性在于它能够提供分辨率高、成像清晰、波长准确、能够获取连续波长图像的优良特性。
棱镜-光栅-棱镜规划的关键因素包括系统光谱分辨率、灵敏度
和扫描范围等。
实现高分辨率的关键是选择合适的光栅和棱镜的参数，光栅的线数会影响到光学系统的分辨率，同时通常选用的棱镜材料为光学玻璃或石英材料，通过妥善的设计，使光束经过整个系统的一系列过程后发生衍射，最终能够捕获到高效、清晰的波长图像，并可提高系统综合灵敏度。
具体的光学设计参数包括：光学性能的要求和光学系统的重点，波长范围是选择光栅和棱镜的主要参考依据之一。
波长对分辨率的影响也应该在设计中考虑，以确保系统的光学性能。
另外，涉及到波长区域转换的重要指标是色散，色散的大小在光学设计中也是一个关键因素。
综上所述，棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统的优越性在于它能
够实现非常强大和高质量的图像获取。
在光学设计中，需要考虑到光栅和棱镜的材料、线数、波长范围、分辨率等因素，并进行合理的调整和优化。
这将确保系统具有高分辨率、高灵敏度和广泛的波长范围，以满足各种实际应用场景的需求。
光栅光谱仪原理及设计研究
光栅光谱仪原理及设计研究光栅光谱仪原理及设计研究引言：光栅光谱仪是一种常见的光学仪器，用于分析物质的光谱特性，从而获得物质的组成和结构信息。
本文将介绍光栅光谱仪的原理，并重点讨论其设计和研究。
一、光栅光谱仪的原理1.1 光的波动特性光是一种电磁波，具有波动特性。
在光栅光谱仪中，光通过光栅后会发生衍射现象，根据衍射理论，光的波长和光栅的构型会影响衍射光的传播方向和强度。
1.2 光栅的工作原理光栅是一种具有周期性结构的透明或不透明薄片。
光栅中的周期性结构可以将入射光线分散成不同波长的衍射光束。
光栅的周期性结构由等间距的凹槽或凸起组成，通常用线数（即每毫米的凹槽或凸起数）表示。
1.3 衍射光的分布与光栅的参数入射光线通过光栅后，不同波长的衍射光相对应于不同的衍射角。
光栅的参数，例如线数、入射角等，会影响不同波长的衍射光的强度和相对位置。
二、光栅光谱仪的设计2.1 构成光栅光谱仪主要由入射系统、衍射系统、检测系统和信号处理系统四个部分组成。
2.2 光栅的选择光栅的选择需要考虑波长范围、分辨率和灵敏度等因素。
常见的光栅类型有平面反射光栅和平面透射光栅，具有不同的特点和应用领域。
2.3 光谱仪的性能指标常用的光谱仪性能指标包括分辨率、灵敏度、动态范围和信噪比等。
这些指标直接影响着光栅光谱仪的测量精度和可靠性。
三、光栅光谱仪的研究应用3.1 光谱分析光栅光谱仪可以用于物质的光谱分析，通过检测不同波长的衍射光的强度分布，可以获得物质的组成和结构信息。
例如，利用光栅光谱仪可以测量吸收光谱、发射光谱、荧光光谱等。
3.2 生物医学领域在生物医学领域，光栅光谱仪被广泛运用于分析生物体内物质的组成和结构。
例如，可以通过检测人体组织中的衍射光谱特性，实现早期癌症的早期诊断和疾病的监测。
3.3 光通信在光通信领域，光栅光谱仪可以用于检测和分析光纤中的光信号。
通过光栅光谱仪检测光纤中的衍射光谱特性，可以对光信号进行解调和分析，实现高速、稳定的光通信传输。
中阶梯光栅光谱仪的光学设计
第１ ８卷
第 ９期
光 学 精 密 工程
Ｏ ｐｔｃ ｎ ｅ ｉｉ ｎ Ｅｎ ｎｅ ｒｎｇ ｉｓ ａ ｄ Ｐｒ ｃｓｏ ｇｉ ｅ ｉ
Ｖ ｏ１ ８ Ｎ Ｏ ．１ ．９
Ｓ ｐ． Ｏ１ ｅ ２ ０
２１ Ｏ ０年 ９月
文 章编 号
１ ０ — ２ Ｘ（ ０ ０ ０ — ９ ９ ０ ０ ４ ９ ４ ２ １ ） ９１ ８ — ７
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 ， 过 替 换 不 同的 探 测 器 及 增 加 外 围 电路 与 软 件平 台 ， 通 仪
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中 图分 类 号 ： ＴＨ７ ４ １ ４ ．
Ｏｐ ｉ ａ ｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｓ — ｉｐ ｒ ｅ ｃ ｌｅ ｓ ｅ ｔ ｏ ｒ ｐｈ ｔｃ ｌｄ ｓ ｇ ｆ ｃ ｏ ｓ ｄ ｓ ｅ ｓ ｄ ｅ ｈｅ ｌ ｐ ｃ ｒ ｇ ａ
ＴＡＮＧ Ｙｕ ｇ ｏ ， ＯＮＧ ｎ ～， ａ ａ ｈ ｓ ｉ ， —ｕ Ｓ Ｎａ Ｂ ｙ ｎ ｅ ｈ ｇ ＣＵＩＪ—ｈ ｎ ＣＨ ＥＮ Ｊｎ ｙ ｎ ｉｃ ｅ ｇ ， ｉ— ｏ ｇ
光栅光谱仪的使用(北科大实验报告)
光栅光谱仪的使用实验报告学院高等工程师学院班级自E152学号41518170姓名郑子亮一、实验目的与实验仪器【实验目的】1.了解平面反射式闪耀光栅的分光原理及主要特性2.了解光栅光谱仪的结构，学习使用光栅光谱仪3.测量钨灯和汞灯在可见光范围的光谱4.测定光栅光谱仪的色分辨能力5.测定干涉滤光片的光谱透射率曲线【实验仪器】WDS-3平面光栅光谱仪（200~800nm）。
汞灯，钨灯氘灯组件，干涉滤光片等。
二、实验原理（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）（1）平面反射式光栅与光栅方程规定衍射角Θ恒为正，i与Θ在光栅平面法线的同侧为正，异侧为负。
K是光谱级对于常用的平面光栅光谱仪，谱板中心到光栅中心的连线与入射光线在同一平面内，因此，衍射角Θ可当做入射角i，光谱方程为：（2）闪耀问题闪耀波长：2平面光栅光谱仪结构组成（1）光学系统（2）电子系统（3）光栅光谱仪操作3.色分辨率光栅光谱仪的色分辨率是分开两条邻近谱线能力的量度4.滤光片光谱特性光谱透射率为：三、实验步骤（要求与提示：限400字以内）1.准备工作开机前，需要缓慢旋转入射狭缝宽度调节旋钮，设置参数2.校准光谱仪的波长指示值利用氘灯波长值为486.0nm的谱线校准光谱仪，利用“数据处理”菜单的功能读出测量的氘灯光谱谱线波长，如果有偏差，用“系统操作”菜单中的“波长校正”功能进行校正3.汞灯光谱和光谱仪分辨率的测量（1）入射缝宽和出射缝宽设定在0.15~0.20nm之间，负压-300~-600之间（2）移去钨灯&氘灯组件，将汞灯置于入射狭缝前，进行快速全谱扫描，根据光谱测量结果进一步调节狭缝宽度、负高压等参数，使得记录的谱线高度适当，再进行一次慢速全谱扫描，保存实验数据。
4.滤色片光谱特性的测量5.退出系统与关机四、数据处理（要求与提示：对于必要的数据处理过程要贴手算照片）1.（1）汞灯光谱（2）钨灯光谱2.3.透射率T与波长λ的关系曲线I-λ五、分析讨论（提示：分析讨论不少于400字）1.通过观察汞灯和钨灯光谱特性图像可得到：汞灯的光谱图像是间断的，不连续的，而钨灯的光谱图像是连续的。
光栅光阀新结构的光学性能分析[设计+开题+综述]
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开题报告电子信息科学与技术光栅光阀新结构的光学性能分析一、选题的背景与意义光栅光阀（Gragting light value ，GLV）是一种基于微型机电系统(MEMS) 工艺的一种新型器件--光调制器,利用其表面具有的可选择的变形部分(可动光阀) ,提供衍射光栅。
GLV技术由斯坦福大学教授David Bloom及其研究组于1992年发明，1994年成立了SLM公司(现为Cypress公司子公司)来推广这一技术的应用。
GLV技术可提供高速度、高可靠性，并可通过大批量生产来获得低成本。
GLV 技术提供了完成光的开关、调制和衰减的一种可靠方法。
基于GLV技术的器件同时结合了高速度、高精度、高可靠性和容易制造等特点，已经在仿真、显示、直接制版和光通信等要求苛刻的市场领域中得到了实际应用和验证。
目前更多新应用正在开发之中。
早期的GLV结构和制作材料比较简单，其典型结构主要由3根可动梁（或称辐条）和3根固定梁交叉相间组成像素阵列，再与一块基底组成。
可动梁的材料为SiN，基底材料为硅，基底与可动梁之间镀上一层反射材料（空气层），如铝膜。
2为了在现有实验条件下尽可能的满足较小黑区范围，提高光学效率的要求，并且尽可能的简化制造工艺，改进了传统GLV结构，产生了光栅光阀的新结构。
光栅光阀结构仍然由基底、可动梁、固定梁以及金属铝层组成。
但是这种光栅光阀结构中固定梁的材料不是传统光栅光阀中的氮化硅，而是蒸镀的铝膜；初始状态下固定梁和可动梁也不同时悬空在同一平面上，而是紧贴着基底表面，固定梁与可动梁之间的初始高度差就是空气层（被掏空的牺牲层）厚度。
在制作过程中，可动梁与固定梁并非同步制作，而是先用光刻、离子刻蚀、化学腐蚀等工艺淘空牺牲层完成可动梁的悬空结构，再蒸镀铝层完成固定梁的制作。
这样分层的结构一方面有效的提高了器件工作区的填充因子数值，减小了可动梁与固定梁之间的黑区范围，从而提高了衍射效率；另一方面简化了器件的制作工艺，在现有的实验条件下降低了加工制作的难度。
阶梯光栅及体光栅的应用
3．阶梯光栅（echelon grating）：G. R. Harrison 于1949 年研制出一种新的衍射光栅--阶梯光栅(echelle) , 并对这种光栅的刻划技术做了开拓性的工作[1]。
阶梯光栅在光谱学的许多领域都是非常有用的, 特别是它集中了宽波段、高色散、高分辨率等特点, 引起了天文学家的极大兴趣, 率先得到天文应用[2]。
3.1阶梯光栅的结构及工作原理阶梯光栅是由许多平面平行厚玻璃板（厚度达1—2cm）组成的一段阶梯，组成阶梯的玻璃板厚度严格相等，折射率相同，并且每块玻璃板凸出的高度相等（0.1cm）。
由光栅的角色散公式可知, 如果用低级次光谱( 第1或第2 级) , 只有细刻线光栅才能获得高角色散; 如果用高级次光谱( 几十或上百级) , 则粗光栅同样可以获得高角色散。
为利用高级次光谱和大入射角而特殊设计的一种光栅——阶梯光栅。
阶梯光栅有反射式及透射式两种（如图1所示）。
a)透射型阶梯光栅b)反射型阶梯光栅图1 阶梯光栅的基本结构以透射型阶梯光栅为例，在衍射角θ不大的情况下，光栅方程为：（n-1）t+θd=mλ，式中，n是玻璃折射率，t是玻璃板厚度，d为阶梯高度。
3.2 阶梯光栅的特点：( 1) 每级都可以获得高的角色散;(2) 许多级次重叠在一起, 用横向色散元件将级次分离后得到二维光谱, 因此一次曝光可得很宽波长范围的光谱;( 3) 单个级次的色散角小, 一般只有几度,自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀峰值附近, 因此一个阶梯光栅对所有波长都是有效闪耀,阶梯光栅成为高效率闪耀光栅。
3.3阶梯光栅的应用：阶梯光栅用于高干涉级次, 有许多级次重叠在一起, 需用一个与阶梯光栅色散方向垂直的辅助色散元件将重叠的级次分开。
作为横向色散元件, 平面反射光栅和棱镜在阶梯光栅光谱仪中都有所应用, 相比之下平面反射光栅的优点在于可获得大的阶梯光栅级次分离,但缺点是低光效率和色散对波长的严重不均匀性, 二级光谱必须消除, 通常需要两块横向光栅分别工作在不同波段获得合适的横向色散。
棱镜 光栅型高光谱成像光谱仪优化设计及集成技术研究
参考内容
光栅光谱仪是一种广泛应用于科学实验和日常生活中的重要光学仪器。它利用 光栅的特殊性质，将入射光分成多个不同波长的单色光，并通过对这些单色光 的精确测量来获得光谱信息。本次演示将详细介绍光栅光谱仪的原理及设计。
一、光栅光谱仪的原理
光栅光谱仪的核心部件是光栅，它由一系列精密刻划的平行线组成。当一束光 线入射到光栅上时，由于光线的波动性质，会发生衍射现象。不同波长的光线 衍射角度不同，因此，通过测量衍射光的角度，就可以确定入射光的波长。
通常，机械系统包括以下几个部分： （1）进样装置：用于将样品送入光谱仪内部； （2）移动平台：用于控制光学元件的位置和运动；
（3）步进电机：用于驱动移动平台；
（4）控制器：用于控制整个机械系统。
机械系统的设计需要考虑到许多因素，如热稳定性、抗干扰能力、维护便利性 等。因此，在设计过程中需要综合考虑各种因素，以确保机械系统的稳定性和 精度。
1、光路设计：采用折反射式光路设计，将入射光经过一次反射后，分成多个 子光束分别进入棱镜和光栅进行分束。这样可以减少光学元件的数量，简化光 学系统，提高系统的稳定性。
2、光学元件选择：选用高质量的光学元件，如高精度平面反射镜、低色散棱 镜和刻划光栅等。此外，选用具有高灵敏度和宽带宽特性的探测器，以实现高 光谱分辨率和低噪声水平。
3、集成技术：采用先进的集成技术，将光学系统、电学系统、控制系统等有 机地结合在一起，实现整体结构的优化和各系统之间的协同工作。此外，可以 利用计算机视觉技术和机器学习算法对系统进行自动化标定和优化，降低调试 和维护的难度。
1、在保证空间分辨率基本不变 的前提下
2、通过集成技术的应用
结论与展望
3、数据处理系统设计
数据处理系统是光栅光谱仪的重要组成部分，它负责处理和分析从光谱中获取 的数据。数据处理系统需要具备高效性、稳定性和可扩展性。
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摘要： 研 究 了一 种 基 于 数 字 微 镜 器 件 （ Ｄ ＭＤ） 具有新型 光路结 构 的中阶梯 光栅光 谱仪 ， 并 采 用 新 的 谱 图 信 息 接 收 方 式 来 降 低 其 使 用 成 本 和 数 据 处 理 过 程 的 复 杂 程 度 。将 具 有 单 波 长 选 通 功 能 的 Ｄ ＭＤ 与 一 维 探 测 器 光 电 倍 增 管 （ Ｐ ＭＴ） 相 结 合 接 收 中 阶梯 光 栅 光 谱 仪 的光 谱 信 息 ， 在 降低 仪 器 成 本 的 同 时 将 中 阶 梯 光 栅 光 谱 仪 谱 图 还 原 算 法 与 Ｄ ＭＤ 扫 描 驱 动 算 法
相整合 ， 提 高 了算 法效 率 。 由于 ＤＭＤ 的填 充 因 子 比 Ｃ Ｃ Ｄ稍 低 ， 该 类 光 谱 仪 对 成 像 质 量 和 能 量 集 中度 提 出 了 更 高 的 要 求 。本 文 根 据 ＤＭＤ 型 中 阶梯 光 栅 光谱 仪 特 点 ， 在 有 限 的可 挑 选 的光 学 材 料 下 ， 采 用 多 重 优 化 的 方 式 合 理 设 计 了 中 阶 梯 光栅光 谱仪准直镜 、 中阶梯光栅 、 棱镜 、 聚 焦镜 等 各 个 光 学 元 件 的 光 路 结 构 参 数 ，并 且 在 Ｃ ｚ ｅ ｒ ｎ ｙ － Ｔｕ ｒ ｎ ｅ ｒ 结 构 中加 入 校 止
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光 学 精 密 工 程
Ｏｐ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎｄ Ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｅｎｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ
Ｖｏ Ｉ ． ２ ５ ＮＯ ． １ ２
Ｄｅ ｃ ． ２０１ ７
２ ０ １ ７年 １ ２月
文章编号
１ ０ ０ ４ — ９ ２ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ７ ） １ ２ — ２ ９ ９ ４ — ０ ７
Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ，Ｃｈ ａ ｎ ｇｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ３ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ； ２ ． Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ，Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ９ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
透镜和场镜 ， 校 正 了系 统 所 有 像 差 ， 提 高 了 整 个 光 学 系 统 的 成 像 质 量 和 光 谱 分 辨 率 。 最 终 设 计 的 光 谱 仪 系 统 分 辨 率 达
０ ． ０ １ ｎ ｍ， 单 个 微 反 射 镜 内 的 光 斑 能 量 聚集 度 达 到 ７ Ｏ 。 关 键 词： 中阶 梯 光 栅 光 谱 仪 ； 光 学设 计 ； 数 字微 镜 器 件 ； 光 电倍 增 管
基 于 数 字 微 镜 器 件 的 中 阶梯 光 栅 光谱 仪 的光 学 系统 设 计
张 锐 ， 潘 明忠 ， 杨 晋 ， 巴音贺希格 ， 崔继承
（ １ ． 中国科学院 长春光学精密机械 与物理研 究所， 吉林 长春 １ ３ ０ ０ ３ ３ ；
２ ．中国科学院大学 ， 北京 １ ０ ０ ０ ４ ９ ）
＊Ｃ０ ¨ｒ Ｐ ５ ｐ０ ｇ ａｕ ｔ ｈｏ ｒ， Ｅ－ ｍａｉ ｌ：ｚ ｈａ ｎｇｒ ｕｉ ｇｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ＠ １ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
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文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ７ ８ ８ ／ ＯＰ Ｅ ． ２ Ｏ １ ７ ２ ５ １ ２ ． ２ ９ ９ ４
中图分类号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
Ｏｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｅ ｃ ｈｅ ｌ ｌ ｅ ｓ ｐｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＤＭ Ｄ