基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计

合集下载

《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
PPT课件
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
PPT课件
7
光栅的分辨率
光栅的分辨率也是以
R d
PPT课件
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
。
PPT课件
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。
PPT课件
10
四、光栅的转动机构
α i
i
δ=900
B
φ
N
β
λ
PPT课件
11
PPT课件
12
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
PPT课件
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。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ＺＨＡＮＧＲｕｉ ’ ，ＰＡＮＭｉｎｇ — ｚｈｏｎｇ，ＹＡＮＧＪｉｎ，ＢＡＹＡＮＨＥＳＨＩＧ，ＣＵＩＪｉ — ｃｈｅｎｇ
（１．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，
摘要：研究了一种基于数字微镜器件（ＤＭＤ）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ＤＭＤ与一维探测器光电倍增管（ＰＭＴ）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ＤＭＤ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ＣＣＤ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Ｃｚｅｒｎｙ－Ｔｕｒｎｅｒ结构中加入校止
ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ＴｈｅＤＭＤｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｇｅｔｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄａｎｏｎｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ（ＰＭＴ）ｗｅｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏｒｅｃｅｉｖｅｓｐｅｃｔｒａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｃｈｅｌｌｅｓｐｅｃ～ｔｒｏｍｅｔｅｒ．Ｂｙｗｈｉｃｈ，ｔｈｅｃＯＳｔｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗａｓｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｓｔｏｒｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅｅｃｈｅｌｌｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒａｎｄｔｈｅｓｃａｎｄｒｉｖｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅＤＭＤｗｅｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＢｅｃａｕｓｅｔｈｅｆｉｌｌｆａｃｔｏｒｏｆＣＣＤｉＳ１ｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＤＭＤ，ｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｅｃｈｅｌｌｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ第２５卷Fra bibliotek第１２期
光学精密工程
ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＶｏＩ．２５ＮＯ．１２
Ｄｅｃ．２０１７
２０１７年１２月
文章编号
１００４ — ９２４Ｘ（２０１７）１２ — ２９９４ — ０７
ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）
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
０．０１ｎｍ，单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到７Ｏ。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１３００３３；
２．中国科学院大学，北京１０００４９）
＊Ｃ０ ¨ｒＰ５ｐ０ｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｒｕｉｇｒａｔｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ
—
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｅｃｈｅｌｌｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈａｎｅｗｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｂａｓｅｄｏｎａＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏＤｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ）ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄａｎｅｗｓｐｅｃｔｒｕｍｒｅｃｅｉｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔｏｆｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ
文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２Ｏ１７２５１２．２９９４
中图分类号：ＴＨ７４４．１
ＯｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｅｃｈｅｌｌｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＤＭＤ