广义光栅方程与光栅线密度测试及二维ccd全谱光谱仪的研制

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1、中国科学技术大学博士学位论文广义光栅方程与光栅线密度测试及二维CCD全谱光谱仪的研制姓名：胡中文申请学位级别：博士专业：核技术及应用指导教师：刘祖平;王秋平20050401中国科学技术大学博士学位论文胡中文摘要摘要从IsaacNewton以来光谱技术得到了广泛的应用和发展。19世纪末HenryRowland发明了衍射光栅刻划机和凹面光栅分光装置，从此光栅分光仪器成为光谱分析领域的主角，其工作波长从软x光一直延伸到红外波段，应用领域涵盖基础研究、应用研究和产业应用，包括工业、农业、国防、天文、遥感、物理、化学、材料科学、生命科学、环境检测等。典型的光谱仪是由光源、色散元件、准直聚焦光学

2、系统和探测器组成。光栅光谱仪随着光源、探测器和光栅相关技术的发展而不断发展。二十世纪中期同步辐射光源和激光光源的出现，二十世纪末高分辨率、高灵敏度和高量子效率固态探测器技术的进步，以及光栅相关技术的进展使得光谱仪的面貌焕然一新。一方面高端仪器向高通量和高分辨率的极端发展，另一方面中小型仪器在追求通用化、智能化和低成本的同时也在不断大幅度的提升分辨率和灵敏度。光栅光谱仪按照结构和功能特点可以分为四种类型即单色仪、多道光谱仪、摄谱仪和成像光谱仪。作者的研究领域是光栅光谱仪，读博期间的工作涉及单色仪和摄谱仪，同时在光栅理论和光栅线密度测量技术两个方面作了工作。文章第零篇对光栅光谱仪相关问题

3、作了一般性的叙述，并对衍射光栅的像差理论作了系统综述，说明了各种光栅像差理论的优缺点。光栅是光谱仪的最核心元件，具有刻线条纹是它不同于镜子的本质区别。对光栅理论的理解和对光栅特性的测试都与条纹不可分离。全息像差校正光栅在同步辐射光束线、太空光谱测量、等离子体诊断和商用光谱仪中都得到普遍使用。研究高级光栅的相关理论和其线密度测试方法具有重要的意义。高级光栅广义方程和刻线密度的高精度测试是作者参加大科学工程过程中取得的具有一般意义的学术成果，作者将这些有普遍意义的研究总结出来单独成篇(即文章的第一篇1。在光栅的成像特性研究中，通过对光栅刻线密度表达方式的分析，解决了光栅广义方程的形式问题

4、，并对它们在光线追迹中的应用作了探讨。其中显式的线密度表达式系首次给出。对于光栅的光线追迹，商业软件(Zemax等)普遍利用传统的welford向量公式，通过数值方法实现。它们基本上都使用了光栅线密度参数(对于第二代全息光栅它是带两个参数三个分量的向量函数，通常是不知道的。)，这对高级光栅的光线追迹并不方便，codeV和Oslo等通过使用相函数辅助描述形成任意光栅的非球面波，为高级光栅光线追迹提供了强有力的手段。不过，相函数除了与光栅条纹有关，还与光栅的槽形及入射光的波长有关，利用相函数求中国科学技术大学博士学位论文胡中文摘要解的过程也通过数值方法实现，因此它不如条纹函数简单直接。作

5、者的工作使得对于高级光栅的光线追迹变得更容易和更灵活。给出了NSRL磁性圆二色光束线上一块平面变线距光栅的线密度测量结果，并将测量系统应用到非平面光栅线密度的测量，取得的精度好于同期国际同行的测试结果。在用衍射法进行非平面光栅测量时，作者发现了光栅面形和离轴误差互相耦合的现象，通过分析离轴误差影响钡9量精度的机理，推导了～般面形的离轴误差补偿算法，使非平面光栅刻线密度的测量准确度(绝对精度)达到2x10。4，而多次测量的RMS误差只有lxlO～。这种算法适合于所有通过转动光栅测量衍射角的测量系统。一块商用球面光栅的测量结果证明了该算法是正确的。该方法是首次报导的适合于小曲率半径光栅线

6、密度的测量方法。一维光谱仪受到一维光电器件像元数目的限制，为了在更宽光谱范围获得更高的分辨率，基于二维固态探测器的中阶梯光栅光谱仪是优先选择，这种光谱仪可以覆盖大波长范围，无级次重叠，可实现高光谱分辨率和高效率：仪器检出限好，动态范围大，通过选择不同的积分时间对于弱光和强光都可取得较好效果；再加上体积小、无运动部件，系统稳定可靠；光、机、电、算结合，全谱直读，一次曝光完成，可具有背景校正、自动标定等功能，能实现高度智能化和自动化。基于固态面阵探测器的全谱光谱仪研制(文章的第二篇)是实验室创新课题，工作波长选在紫外可见波段，这是原子谱线最富集的波段。在光学系统的设计阶段，选择了Czer

7、ny—Turner结构并用棱镜实现交叉色散系统有较好的点到点成像性能和平场特性。对中阶梯光栅光学系统作了比较详细的分析，仔细计算了系统的效率和分辨率特性。选择热电冷却紫外增强背薄型二维面阵FFT—cCD作为光谱采集的探测器，并配备了快门，用C++编写了具有良好人机界面的软件，可以实现CCD和快门控制及相关的图形图像功能。设计了图形图像数据库，能实现CcD图像的实时采集，存储和分析等功能。安装调试是保证光学系统工作的一个重要阶段。提出的一套安装调试方案实现了