变栅距透射光栅谱仪关键技术研究

摘要

光谱仪作为一种常见的分析仪器,在各个研究领域已经成为必不可少的一种科研工具。光谱仪的发展已经有了上百年的历史,随着机械加工手段的进步和光电转换器件的广泛应用,光谱仪器已经成为了以光为核心的集光机电于一体的精密分析仪器。
　　 目前常用的光谱仪基本都是采用闪耀光栅作为核心分光器件,基于平面对称的切尔尼-特纳光路系统设计。与采用闪耀光栅的反射光栅光谱仪相比,透射光栅光谱仪具有光路结构简单、适用波长范围广等优点。尤其在真空紫外和X射线波段,由于任何材料对真空紫外、X射线波段的吸收都相当严重,闪耀光栅光谱仪就不再适用,透射光栅光谱仪在真空紫外、X射线波段有着相当广泛的应用前景。
　　 本文首先介绍了光栅光谱仪的理论、发展及主要应用,介绍了反射式光栅光谱仪的基本原理和应用。从透射光栅的基本衍射原理入手,研究了透射光栅光谱仪的几个关键组成部分。在理论分析的基础上,对透射光栅光谱仪各个部分进行了模拟与设计。
　　 (1)针对变栅距光栅的栅距非线性变化特殊要求,通过采用自主编写的变栅距光栅版图自动生成宏文件,利用电子束光刻结合紫外光刻工艺技术,设计并成功制作了光谱仪核心分光器件透射变栅距光栅,检测了变栅距光栅的衍射特性。包括自聚焦变栅距光栅和X射线透射变栅距光栅。
　　 (2)成功制作出了中心线数为300lp/mm自聚焦变栅距光栅和中心线数为2000lp/mmX射线透射变栅距光栅。将所制作的变栅距光栅在相应的检测平台分别进行了检测。测试结果表明,自聚焦变栅距光栅可以使得一级衍射光的线宽比普通等栅距光栅的衍射光线宽压缩了两个数量级,同时使得一级衍射光强提高近7倍;X射线透射变栅距光栅使得入射光的衍射线宽比普通等栅距光栅压缩一半,同时使得衍射光强提高一倍。实验结果显示,采用变栅距光栅可以大幅度提高衍射光强和光谱分辨率。因此使用透射变栅距光栅在真空紫外及X射线波段进行光谱分析有着很好的应用前景。
　　 (3)设计了透射光栅光谱仪的光路,通过ZEMAX光学设计软件进行了仿真模拟。根据光路模拟仿真结果,设计了整个系统的机械结构,使用Soldiworks机械设计软件进行了模拟与设计。同时优化了光路和机械结构的参数,加工了符合要求的光谱仪的机械结构。
　　 (4)采用了线阵CCD作为光谱仪的光电接收系统,整体设计了基于FPGA的线阵CCD的信号处理电路,运用VerilogHDL硬件描述语言对系统电路进行了描述。分析了CCD的性能参数并选择了CCD的具体型号,完成了产生CCD驱动时序脉冲的FPGA设计。利用FPGA控制CCD信号的采集和A/D转换,编写了利用FPGA控制A/D采样控制的程序。利用了FPGA内部的双口RAM对信号进行存储,编写了双口RAM的地址发生程序。系统通过使用USB进行信号传输,编写了USB的接口控制程序。给出了所有设计的逻辑代码及外围连接电路图。
　　 (5)分析了透射光栅光谱仪的解谱技术和定标方法,研究了采用低压汞灯作为标准标定光源的关键技术,根据低压汞灯在可见光波段的主要谱线采用5点定标的分析方法,将5条特征谱线所对应的区域划分为4个线性区域,通过内插法读取相应区域的光谱的波长值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 光谱仪器简介

1.2 光谱仪器发展

1.3 光谱仪器应用

1.4 论文主要工作

1.5 论文内容安排

第2章 系统光路和结构设计

2.1 反射光栅光谱仪原理

2.2 透射光栅的衍射原理

2.3 透射光栅光谱仪原理

2.4 光路结构模拟与设计

2.5 机械结构模拟与设计

2.6 仪器结构的参数优化

2.7 本章小结

第3章 变栅距光栅的衍射原理及其设计制作

3.1 变栅距光栅的应用

3.2 变栅距光栅的原理

3.3 变栅距光栅的设计与制作方法

3.3.1 变栅距光栅的设计

3.3.2 变栅距光栅的制作方法

3.4 变栅距光栅的制作结果

3.4.1 自聚焦变栅距光栅的制作结果

3.4.2 X射线透射变栅距光栅的制作结果

3.5 变栅距光栅的检测及衍射特性分析

3.5.1 自聚焦变栅距光栅的特性分析

3.5.2 X射线透射变栅距光栅的特性分析

3.6 本章小结

第4章 系统硬件设计及集成

4.1 光谱仪硬件电路设计

4.1.1 光谱仪的光电接收系统

4.1.2 系统的硬件构架

4.1.3 FPGA的选择与应用

4.1.4 仿真与设计平台

4.2 CCD驱动电路设计

4.2.1 驱动时序分析

4.2.2 驱动时序设计

4.3 数据采集及其接口设计

4.3.1 ADC的选取

4.3.2 接口设计

4.4 FPGA内部RAM的应用

4.4.1 RAM的地址发生器

4.4.2 RAM的数据存储器

4.5 数据的USB传输及接口设计

4.6 本章小结

第5章 解谱技术及标定

5.1 解谱原理简介

5.2 整体标定方法

5.2.1 标准光源

5.2.2 定标方法

第6章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来工作展望

结论

参考文献

附录

攻读硕士期间所发表学术论文

致谢