廣義光柵方程與光柵線密度測試及二維ccd全譜光譜儀的研制

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1、中國科學技術大學博士學位論文廣義光柵方程與光柵線密度測試及二維CCD全譜光譜儀的研制姓名：胡中文申請學位級別：博士專業(yè)：核技術及應用指導教師：劉祖平;王秋平20050401中國科學技術大學博士學位論文胡中文摘要摘要從IsaacNewton以來光譜技術得到了廣泛的應用和發(fā)展。19世紀末HenryRowland發(fā)明了衍射光柵刻劃機和凹面光柵分光裝置，從此光柵分光儀器成為光譜分析領域的主角，其工作波長從軟x光一直延伸到紅外波段，應用領域涵蓋基礎研究、應用研究和產(chǎn)業(yè)應用，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、天文、遙感、物理、化學、材料科學、生命科學、環(huán)境檢測等。典型的光譜儀是由光源、色散元件、準直聚焦光學

2、系統(tǒng)和探測器組成。光柵光譜儀隨著光源、探測器和光柵相關技術的發(fā)展而不斷發(fā)展。二十世紀中期同步輻射光源和激光光源的出現(xiàn)，二十世紀末高分辨率、高靈敏度和高量子效率固態(tài)探測器技術的進步，以及光柵相關技術的進展使得光譜儀的面貌煥然一新。一方面高端儀器向高通量和高分辨率的極端發(fā)展，另一方面中小型儀器在追求通用化、智能化和低成本的同時也在不斷大幅度的提升分辨率和靈敏度。光柵光譜儀按照結構和功能特點可以分為四種類型即單色儀、多道光譜儀、攝譜儀和成像光譜儀。作者的研究領域是光柵光譜儀，讀博期間的工作涉及單色儀和攝譜儀，同時在光柵理論和光柵線密度測量技術兩個方面作了工作。文章第零篇對光柵光譜儀相關問題

3、作了一般性的敘述，并對衍射光柵的像差理論作了系統(tǒng)綜述，說明了各種光柵像差理論的優(yōu)缺點。光柵是光譜儀的最核心元件，具有刻線條紋是它不同于鏡子的本質(zhì)區(qū)別。對光柵理論的理解和對光柵特性的測試都與條紋不可分離。全息像差校正光柵在同步輻射光束線、太空光譜測量、等離子體診斷和商用光譜儀中都得到普遍使用。研究高級光柵的相關理論和其線密度測試方法具有重要的意義。高級光柵廣義方程和刻線密度的高精度測試是作者參加大科學工程過程中取得的具有一般意義的學術成果，作者將這些有普遍意義的研究總結出來單獨成篇(即文章的第一篇1。在光柵的成像特性研究中，通過對光柵刻線密度表達方式的分析，解決了光柵廣義方程的形式問題

4、，并對它們在光線追跡中的應用作了探討。其中顯式的線密度表達式系首次給出。對于光柵的光線追跡，商業(yè)軟件(Zemax等)普遍利用傳統(tǒng)的welford向量公式，通過數(shù)值方法實現(xiàn)。它們基本上都使用了光柵線密度參數(shù)(對于第二代全息光柵它是帶兩個參數(shù)三個分量的向量函數(shù)，通常是不知道的。)，這對高級光柵的光線追跡并不方便，codeV和Oslo等通過使用相函數(shù)輔助描述形成任意光柵的非球面波，為高級光柵光線追跡提供了強有力的手段。不過，相函數(shù)除了與光柵條紋有關，還與光柵的槽形及入射光的波長有關，利用相函數(shù)求中國科學技術大學博士學位論文胡中文摘要解的過程也通過數(shù)值方法實現(xiàn)，因此它不如條紋函數(shù)簡單直接。作

5、者的工作使得對于高級光柵的光線追跡變得更容易和更靈活。給出了NSRL磁性圓二色光束線上一塊平面變線距光柵的線密度測量結果，并將測量系統(tǒng)應用到非平面光柵線密度的測量，取得的精度好于同期國際同行的測試結果。在用衍射法進行非平面光柵測量時，作者發(fā)現(xiàn)了光柵面形和離軸誤差互相耦合的現(xiàn)象，通過分析離軸誤差影響鋇9量精度的機理，推導了～般面形的離軸誤差補償算法，使非平面光柵刻線密度的測量準確度(絕對精度)達到2x10。4，而多次測量的RMS誤差只有l(wèi)xlO～。這種算法適合于所有通過轉(zhuǎn)動光柵測量衍射角的測量系統(tǒng)。一塊商用球面光柵的測量結果證明了該算法是正確的。該方法是首次報導的適合于小曲率半徑光柵線

6、密度的測量方法。一維光譜儀受到一維光電器件像元數(shù)目的限制，為了在更寬光譜范圍獲得更高的分辨率，基于二維固態(tài)探測器的中階梯光柵光譜儀是優(yōu)先選擇，這種光譜儀可以覆蓋大波長范圍，無級次重疊，可實現(xiàn)高光譜分辨率和高效率：儀器檢出限好，動態(tài)范圍大，通過選擇不同的積分時間對于弱光和強光都可取得較好效果；再加上體積小、無運動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；光、機、電、算結合，全譜直讀，一次曝光完成，可具有背景校正、自動標定等功能，能實現(xiàn)高度智能化和自動化?；诠虘B(tài)面陣探測器的全譜光譜儀研制(文章的第二篇)是實驗室創(chuàng)新課題，工作波長選在紫外可見波段，這是原子譜線最富集的波段。在光學系統(tǒng)的設計階段，選擇了Czer

7、ny—Turner結構并用棱鏡實現(xiàn)交叉色散系統(tǒng)有較好的點到點成像性能和平場特性。對中階梯光柵光學系統(tǒng)作了比較詳細的分析，仔細計算了系統(tǒng)的效率和分辨率特性。選擇熱電冷卻紫外增強背薄型二維面陣FFT—cCD作為光譜采集的探測器，并配備了快門，用C++編寫了具有良好人機界面的軟件，可以實現(xiàn)CCD和快門控制及相關的圖形圖像功能。設計了圖形圖像數(shù)據(jù)庫，能實現(xiàn)CcD圖像的實時采集，存儲和分析等功能。安裝調(diào)試是保證光學系統(tǒng)工作的一個重要階段。提出的一套安裝調(diào)試方案實現(xiàn)了