集成二维多光栅红外光谱成像系统的研制

论文摘要

随着科学技术的飞速发展,很多应用领域对光谱分析仪器提出了更高的要求,以满足现场分析和专门用途分析的需要。然而传统的光谱仪是通过精确转动光栅或分光棱镜来扫描波长,由于缓慢的机械运动,需要几分钟的时间来完成全波长的扫描。随着二维阵列探测器的应用,已经设计了高分辨率、快速数据采集能力的光谱仪。然而目前高分辨率光谱仪体积比较大,且价格昂贵,更重要的是我国在此领域完全没有自主知识产权。因此我们对一种有重要应用价值的红外光谱成像系统进行了研究。在本论文中,我们研制出一种新型的红外光谱分析系统,可用于现代光通讯领域中的光谱信息的快速检测。研究中采用了一个由10块子光栅组成的集成光栅系统和二维InGaAs红外面阵探测器,组成一个完整的装置,用于1450-1650nm工作波长区。由于设计中避免了机械式的扫描结构,系统显示出长时间工作稳定性、数据读取的高可靠性和快速读取数据等优点。经校准,系统的光谱分辨率优于0.1nm,采集时间小于2ms。该系统可用于监控高性能光电子功能薄膜的生长过程,包括对由四分之一波长和非四分之一波长光学厚度组成的混合薄膜结构的复杂特性进行实时监控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光谱分析系统的发展与应用摘要
• 1.1.1 光谱分析方法的发展
• 1.1.2 现代光谱分析系统的分类
• 1.1.3 光谱分析仪器的应用范围
• 1.2 本论文工作的研究目的和意义
• 1.2.1 课题的可行性及背景
• 1.2.2 课题的意义、目的
• 1.2.3 课题的创新点
• 第二章 光谱仪的基本元件简介
• 2.1 衍射光栅的基本工作原理
• 2.1.1 衍射光栅的分类
• 2.1.2 反射衍射光栅的基本方程
• 2.1.3 衍射光栅的色散
• 2.1.4 闪耀光栅
• 2.1.5 托利结构
• 2.1.6 光栅效率
• 2.1.7 杂散光
• 2.2 线阵和面阵固体探测器
• 2.3 滤波元件的作用
• 2.4 光谱系统的基本结构
• 2.4.1 Fastie-Ebert结构
• 2.4.2 Czerny-Turner（C-T）结构
• 2.5 数值孔径
• 2.6 分辨率和带宽
• 第三章 10光栅集成结构的高分辨快速红外光谱仪的制作
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 DWDM技术介绍
• 3.1.2 高性能光学薄膜的制备
• 3.2 光学系统
• 3.2.1 原理
• 3.2.2 光学系统的结构
• 3.3 数据采集
• 3.3.1 探测器
• 3.3.2 软件分析
• 3.4 结果分析与讨论
• 3.4.1 谱线定标与谱线测量
• 3.4.2 分辨本领与谱线分析
• 3.4.3 象差讨论
• 3.5 结论
• 第四章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢