新型二维折叠光谱仪的工程化研制及其应用

摘要

在光电子信息领域，充分利用光子作为信息载体的特征，通过光与物质的相互作用，高精度和高分辨率地获取丰富的光学和光电子信息，不仅能够深刻认识和揭示物质的微观结构和带电粒子的运动规律，而且其成果在材料、信息、生物医学、环境、太阳能、航空遥感、和国防等广泛领域获得重要的应用。
　　这是以光电信号精密测量和成像技术的研究和应用为基础，需要在很宽的光谱区，研究可分辨率原子和分子的发射或吸收光谱的分析技术，用于各种物质元素的“指纹”特征及其微量/痕量化学组成的精确测定，包括在各种实验条件下，对各种不同物质的动态发光谱特性进行极高分辨率的精确测量和分析。
　　为了实现宽光谱、高分辨率和快速的光谱测量和分析，在本论文工作中，突破传统单光栅和棱镜等色散元件有限色散角和光谱效率的限制，采用二维CCD阵列光电探测技术，设计和制备了不同焦距的光谱仪，将具有不同闪耀角和色散特性的10光栅进行集成组合，在200-1000nm光谱区，获得10重折叠光谱，成像在CCD阵列探测器的焦平面上，从而将光谱的有效探测区长度扩展了10倍，最高达到276mm。在论文工作中，可靠解决了从二维光谱分析原理、光学设计、工艺到软件分析的一系列工艺和工程制备问题。新型光谱仪具有全谱响应均匀和无缝波长连接、结构紧凑、稳简定标、宽光谱区、高分辨率、全谱高速测量和高可靠性等显著优点。经系统定标后，测量结果显示，无需任何机械位移部件，新的光谱分析系统最高可达到0.045nm/pixel的分辨率，能够在0.001-10s时间内完成200-1000hm全光谱数据的快速获取和分析，将能够在科学研究和高科技领域获得重要应用，体现了高性能光谱分析技术研究和发展的趋势。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 光谱分析技术研究的意义

1．2 光谱分析技术的分类

1．2．1 发射光谱

1．2．2 吸收光谱

1．2．3．散射光谱

1．2．4．其他光谱分析方法

1．3 光谱分析仪器的工作波长区范围

1．3．1 色散器件

1．3．2．光电探测器件

1．4 本课题的研究目的和意义

1．5 本课题的创新性

1．5．1．原理创新

1．5．2．技术创新

第二章 光谱仪中的光电子元器件

2．1 衍射光栅的色散原理

2．2．衍射光栅的色散本领

2．2．1．衍射的角色散本领

2．2．2．衍射的线色散本领

2．2．3．谱线分辨的“瑞利判据”

2．2．4．光谱仪的波长区限制

2．2．5．光栅的闪耀角

2．3．面阵型光谱分析探测器

2．3．1．CCD探测器

2．3．2．前照式CCD器件

2．3．3．背照式CCD器件

2．3．4．其它硅基阵列光电传感器

2．3．5．InGaAs光电二级管面阵探测器

2．4 光谱仪中应用的光纤

2．4．1．光纤材料和结构

2．4．2．光纤的数值孔径

2．5 光谱仪结构

2．6 光谱分析用光源

2．6．1．氘灯光源

2．6．2．钨灯光源

2．6．3．氙灯光源

第三章 高分辨二维折叠光谱仪设计

3．1 概述

3．2 设计原理

3．2．1．光栅转动的方位角

3．2．2．光谱仪的波长分辨率

3．3 设计方案

第四章 实验结果和若干应用

4．1 光谱仪样机

4．2 光栅集成结构

4．3 光谱线定标和测量

4．3．1．二维光谱成像

4．3．2．元素光谱的测量和定标

4．3．3．光谱仪的应用

第五章 论文总结

参考文献

致谢

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