摘要：因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大不便于携带等问题,为此,提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构,开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构,新的设计主要有三个特征:使用光纤代替入射狭缝,以减少光能损失;采用双光栅将光束进行二次衍射;使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先,利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析,光谱范围为1525~1570 nm,光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内,光谱分辨率理论上达到0.2 nm,比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后,根据理论分析,选购了合适的光电器件进行了系统封装,与匹配的电路模块结合,实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内,实际测量的光谱分辨率为0.215 nm,与理论结果较为吻合。进一步地,搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统,该微型光谱仪作为信号解调仪,选择了四个中心波长分别为1534、1538、1542和1545 nm的光纤光栅作为传感器,温度在0~50℃范围内以1℃为间隔连续变化,最终实现了温度实时测量和信号解调,系统温度灵敏度分别达到9.58、9.68、9.69和9.6 pm·℃^(-1),验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上,系统内部无可移动元器件,体积小、分辨率高、稳定性好,可应用于其他诸如物质浓度分析、传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。

摘要：由于所需测量的光谱范围较宽(276~700 nm),而CCD探测器的接收面尺寸较小(14.3 mm×10.5 mm),根据所选用的平面光栅元件参数,采用传统的车尔尼-特纳型结构是无法满足的。基于该结构,利用光线相对光栅的入射角和衍射角与光栅转角的关系,提出了使用两块反射式平面光栅进行光谱分离的方法。通过理论计算,确定了两段光谱范围和两光栅的旋转及俯仰角度,采用ZEMAX软件建立多重结构,分别设置两块光栅的位置和波长参数,对光学系统进行了模拟分析和优化。结果表明,在像面上得到了两条谱面线展宽为14mm,中心间距8mm的光谱带,光谱分辨率优于1nm,各像差得到了充分校正,满足设计指标要求,很好地解决了宽光谱和探测器接收面尺寸之间的矛盾。

摘要：对双光栅绕射辐射器件谐振结构中的模式分布规律进行了分析,研究了谐振腔的结构参数对腔内电场分布的影响。结果表明,双光栅绕射辐射器件谐振结构中的电场分布受矩形腔宽度的影响显著。特别是在槽高b=λgroove/2情况,绕射辐射器件谐振模式能分解为球-柱开放腔准TEM与矩形腔中TM模式的叠加表示;在该情况下,a=λ/2是槽宽设计的较合理结果。此外,在谐振结构中加入"四分之一波长变换"结构并不能有效增强矩形腔内的电场强度,反而会对谐振腔的谐振模式及工作频率产生影响。

摘要：针对双开槽的双光栅开放式谐振腔,提出了一种基于矩形波导谐振腔理论的计算方法,给出TE04模式场分布的结构设计修正公式,用于进行准光学谐振腔结构设计优化,通过增强电子注区域的电场强度,可有效提高电子效率。同时对双光栅慢波结构"冷"色散特性进行了计算,分析了不同参数对其高频特性的影响。结果表明,双光栅槽宽和电子注通道宽度的变化会对其色散特性的频带上限产生较大影响。

摘要：基于双多层介质膜衍射(MLD)光栅的超窄带光谱滤波系统可以获得普通窄带滤光片无法实现的亚纳米级超窄光谱滤波宽度,利用该系统有望极大地提高激光回光探测系统的信噪比和抗干扰能力。设计了一套基于双MLD色散补偿光栅的超窄带光谱滤波系统,使用CODE V软件对系统像差进行理论仿真,发现系统像差可忽略不计;使用Matlab软件对系统的滤波线宽和有效能量透过率进行理论仿真,为解决实际滤波问题时,根据实际需求选择最优系统结构参数提供了较完整的理论基础。最后,在实验室采用国产多层介质膜光栅,在1064nm中心波长段,成功将光谱半峰全宽(FWHM)为0.3nm的入射激光转换为光谱FWHM为0.03nm的出射激光。

摘要：针对地震勘探中横波检波灵敏度低的问题,提出了一种基于菲涅耳衍射理论的双光栅水平向地震检波器。介绍了系统的工作原理,通过使用新的人工地震动模拟函数,研究检波器力学模型运动微分方程的解和频率特性,证明了系统的可行性。推导了激光束经过双光栅系统衍射后的场分布和光强,仿真分析表明,沿接收屏纵向强度呈波形分布,利于光电信号转换,推出了条纹频率与地震动水平向速度的关系式,利用对称指示光栅提出了一种对地震动位移、速度进行辨向并记录平衡位置时间的简便方法。初步计算该检波器的灵敏度为136pm,动态范围达144dB,与其他检波器相比,对应的性能参数值提高了10%以上,有良好的工程应用前景。

摘要：提出了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计方法。将使用波段一分为二,由两个使用结构相同的平场全息凹面光栅分别进行光谱成像以达到提高光谱分辨率的目的。根据全息凹面光栅像差理论,对光栅的使用结构和两光栅各自的制作结构进行优化求解以校正离焦、像散、彗差和球差等各种像差。据此原理设计了工作波段为200~800 nm、探测器长度25 mm的双光栅平场光谱仪。两光栅的工作波段分别为200~400 nm和400~800 nm,像面上光谱像的全宽度分别优于0.83 nm和1.68 nm。通过与相同设计指标的单光栅平场光谱仪进行比较,证明采用双光栅的设计方案能够有效地改善平场全息凹面光栅光谱仪的光谱分辨率。

摘要：设计了一种新型用于大气探测的双光栅双波段光谱仪系统,可以把氧气A带(758~778nm)和水汽吸收带(758~880nm)同时在一个探测器上实现超高分辨率光谱测量,其中每个吸收带有三个观测方向的大气辐射分别成像在不同位置。氧气A带(758~778nm)的光谱分辨率为0.07nm,水汽吸收带(758~880nm)的光谱分辨率为0.28nm。每个波段对应狭缝上三个光纤端面,狭缝宽度为25微米,光纤芯径为600微米。光谱仪采用Czerny-Turner结构设计,利用倾斜场镜来校正谱线弯曲,最大谱线弯曲为5微米,获得了良好的成像质量。

摘要：双光栅衍射场的干涉效应既具有理论研究价值又具有很实际的应用价值.本文利用波前相因子分析法,推导出了双余弦光栅夫琅禾费衍射场的理论结果;分析了当两个光栅在横向有相对运动时,各级衍射斑光强的变化规律.通过实验观测映证了光强变化与数值计算结果是一致的.这一理论结果是双光栅衍射类实验设计的基础,而这类实验可以用于测量微小振动的振幅和频率.

摘要：探讨了利用双光栅微弱振动测量仪开设设计性实验——测量微小物体质量的方法、步骤、数据处理以及误差分析,阐述了该实验对于开设大学物理设计性实验的启示.