中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系,建立了3个变换矩阵M1,M2和M3,由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关系的谱图矩阵Mλ-XY,利用中心波长与自由光谱区特性获得了理想的无重叠谱图数据模型。提出了信号光斑识别方法,并对信号光斑位置坐标进行准确定位;结合所建立的谱图数据模型,实现了对二维重叠谱图的快速还原与标定。实验结果表明:该方法在中阶梯光栅光谱仪谱图分析中不仅实时性强,而且波长精度可达0.01nm,满足中阶梯光栅光谱仪高分辨率、全谱瞬态直读等要求。     

显微高光谱成像系统的设计

设计出一种基于棱镜 光栅 棱镜组合分光方式的显微高光谱成像实验系统.系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用棱镜 光栅 棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光,利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像,选用PCI总线作为数据采集的微机接口.整个系统由显微镜、分光计、面阵CCD相机、载物台自动装置以及数据采集与控制模块等几部分组成.系统的光谱范围从400nm到800nm,120个波段,光谱分辨率优于5nm,空间分辨率大约1μm.该系统具有直视性、光谱分辨率高、结构紧凑、成本低等优点;不仅能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线,实现了光谱技术和显微成像技术的结合,成功的将成像光谱技术应用到显微领域,可广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域.     

平场全息凹面光栅的设计

平场全息凹面光栅是一种光谱面为平面的凹面全息光栅。在像面上,如果用某种平面多通道光电接收器探测光谱信号,可使光谱分析简单、迅速、并可做瞬间光谱分析。因为准直、色散和聚焦都集一体于凹面光栅,因而不仅光能损失大为减小,而且整个光谱仪也变得小巧轻便。本文将全息凹面光栅的理论用于消像差平场全息凹面光栅的设计中。描述了在任意给定的仪器参数下,确定光栅表面的曲率半径和记录参数的方法。并通过光线追迹,用谱线在点列阵图上的扩散度,即相应的相对强度分布轮廓曲线来评价所设计的光栅,结果是令人满意的     

Design of echelle spectrograph CCD camera

为了高精度采集中阶梯光栅光谱仪的谱图,设计了一种适用于中阶梯光栅光谱仪原理样机的高性能面阵CCD相机.首先,根据中阶梯光栅光谱仪的谱图特点和CCD芯片的特性,设计了面阵CCD相机的时序产生电路、驱动电路及数据采集处理电路,实现了面阵CCD相机的低噪声、高灵敏度以及高动态范围.然后,利用LabVIEW编写了CCD相机测试软件.最后,利用设计的面阵CCD相机对汞灯谱线进行了测试.结果表明:面阵CCD相机获取的二维谱图图像清晰、信噪比较高;经二维谱图还原后,可以得到标准的汞灯谱线.该相机性能稳定、可靠,满足中阶梯光栅光谱仪原理样机的研制要求.     

中阶梯光栅光谱仪CCD相机的设计

为了高精度采集中阶梯光栅光谱仪的谱图,设计了一种适用于中阶梯光栅光谱仪原理样机的高性能面阵CCD相机。首先,根据中阶梯光栅光谱仪的谱图特点和CCD芯片的特性,设计了面阵CCD相机的时序产生电路、驱动电路及数据采集处理电路,实现了面阵CCD相机的低噪声、高灵敏度以及高动态范围。然后,利用LabVIEW编写了CCD相机测试软件。最后,利用设计的面阵CCD相机对汞灯谱线进行了测试。结果表明:面阵CCD相机获取的二维谱图图像清晰、信噪比较高;经二维谱图还原后,可以得到标准的汞灯谱线。该相机性能稳定、可靠,满足中阶梯光栅光谱仪原理样机的研制要求。     

激光诱导等离子体光谱仪实验装置的构建

激光诱导等离子体光谱仪是一种具有实时在线、非接触、多元素同时探测等优点的分析仪器。它无需制备样品,是钢铁冶炼中在线元素快速检测的仪器之一。本文将线阵CCD放置于罗兰圆上,搭建了一台紫外波段的激光诱导等离子体光谱仪实验装置,光谱分辨率达0.1nm,覆盖的光谱波段为235～260nm,主要用于检测钢铁材料中的C元素。实验结果表明,该系统的搭建是成功的。     

用于大气遥感探测的临边成像光谱仪

分析了大气临边成像光谱探测的原理,依据应用要求设计研制了光栅色散型紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构形式,工作波段为540～800nm(一级光谱)和270～400nm(二级光谱),通过切换紫外、可见带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8kg,体积为450mm×250mm×200mm。用该样机进行了实验室光谱实验,并对光谱分辨率进行了分析,测量了该样机的实际光谱分辨率。测量结果表明,该样机的实际光谱分辨率为1.3nm,接近其理论光谱分辨率1.12nm,满足设计指标1.4nm的要求,并具有体积小、质量轻等特点,适合空间遥感应用。     

我国研制出同时获取立体和多光谱图像的方法

<正>不久前,中科院西安光机所科研人员在开展立体和多光谱图像获取方法的研究中,研制出一种同时获取立体和多光谱图像的方法及设备,解决了面阵CCD芯片设计复杂、价格昂贵的技术问题。人类对太空空间领域的探索离不开光学遥感技术,通过一个光学相机收集光信号,再遥感传输到地面生成图像,人类才能进行进一步的科学研究。可是目前,人们利用这种光学相机生成的地面图像多数还停留在黑白图像阶段,而少数可以实现获取立体和多光谱图像的方案还存在诸多困难。比如,关键组件面阵CCD芯片需要专门研制设计,设计工     

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

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200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm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2000～15000,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。     

基于凹面光栅的可调高分辨率单色仪结构设计及波长重复性分析

凹面光栅兼具成像和色散的能力,采用凹面光栅分光的单色仪能够很好实现小型化设计和应用到低于200 nm的真空紫外波段。光谱分辨率和波长重复性是单色仪的重要指标,针对单色仪的光谱分辨率,本文将光栅固有分辨率和由狭缝引起的增宽相结合推导出单色仪的光谱分辨率计算模型,利用自研微动狭缝进行实验验证,单色仪分辨率符合理论模型,极限分辨率优于0.1 nm;针对单色仪的波长重复性,在单色仪光机结构参数转换的基础上对波长重复性影响因素进行分析,推导出单色仪的波长重复性计算模型,利用汞灯作为光源进行波长重复性验证其波长重复性优于0.02 nm符合理论计算模型,验证了光机结构设计的有效性和理论分析的正确性。     

三晶体多轴联动同步辐射X射线荧光光谱仪

针对上海光源X射线吸收精细结构光谱仪对灵敏度和分辨率的要求,研制了三晶体多轴同步辐射X射线荧光光谱仪。其采用一台双晶单色器提供实验X射线,用3块凹面晶体构成系统主体色散结构,并在竖直平面内组成相交的罗兰圆实现荧光分析,可实现10°范围内的布拉格角变化。光谱仪通过高精度控制驱动设备使位移平台实现了3块晶体的4轴联动和总台的2轴联动,其中对位移平台的各轴精度达到了单步长移动25nm,可以实现高分辨率的三维扫描工作。编写了探测器的驱动软件,提高了驱动器的测试灵敏度和分辨率。最后,利用国际通用的实验物理控制系统——EPICS(Experiment Physics and Industrial Control System)完成了整个系统软件的设计,实现了系统各部分的精确控制、自动测量、数据分析和结果显示与存储等功能,构成了一套完整的基于同步辐射光源的高精度高分辨率X射线荧光光谱分析系统。采用钴元素作为测试样品进行了分析实验,结果显示:该光谱仪单次测量时间小于1.5s,测试精度达到0.4eV,分辨率为0.1eV。光谱仪可以完成对样品荧光的采集和分析,操作时间、精度、分辨率和重复性等性能指标均优于现有国内、外设备,目前已成功应用于上海光源XAFS线站的各项科学实验中。     

谱线弯曲对成像光谱仪辐射信号采集的影响

为了研究谱线弯曲对棱镜色散成像光谱仪光谱辐射信号采集的影响。首先,给出探测器像元采集到的辐射能量的表达式。然后,结合复合棱镜的色散特性,在可见近红外光谱范围（400～1000nm）内,计算当光谱偏离量为0.01d、0.1d和0.5d（d为探测器像元尺寸）时系统采集到的辐射能量与没有谱线弯曲情况下系统采集到的辐射能量的归一化差值,衡量谱线弯曲下系统辐射测量的变化。结果表明：谱线弯曲引起的探测器上的光谱偏离导致系统辐射信号采集发生变化,与没有谱线弯曲的情况相比,采集到的景物辐射信号在大气吸收带的边缘出现明显的偏差,且信号的差值随光谱偏离量的增大而增大,当光谱分辨率提高时,一些较弱的吸收峰附近也会出现明显的信号偏差。对于光谱分辨率平均为10nm的成像光谱仪,谱线弯曲量应控制在0.3nm以内。     

Pound-Drever-Hall-locked, frequency-stabilized cavity ring-down spectrometer

We describe a high sensitivity and high spectral resolution laser absorption spectrometer based upon the frequency-stabilized cavity ring-down spectroscopy (FS-CRDS) technique. We used the Pound-Drever-Hall (PDH) method to lock the probe laser to the high-finesse ring-down cavity. We show that the concomitant narrowing of the probe laser line width leads to dramatically increased ring-down event acquisition rates (up to 14.3 kHz), improved spectrum signal-to-noise ratios for weak O(2) absorption spectra at λ = 687 nm and substantial increase in spectrum acquisition rates compared to implementations of FS-CRDS that do not incorporate high-bandwidth locking techniques. The minimum detectable absorption coefficient and the noise-equivalent absorption coefficient for the spectrometer are about 2×10(-10) cm(-1) and 7.5×10(-11) cm(-1)Hz(-1/2), respectively.     

X-ray crystal spectrometer for opacity measurements in the 8-18 Å spectral range at the LULI laser facility

An x-ray crystal spectrometer was built in order to measure opacities in the 8-18 A? spectral range with an average spectral resolution of <λ/δλ> ～ 400. It has been successfully used at the LULI-2000 laser facility (See C. Sauteret, rapport LULI 2001, 88 (2002) at E?cole Polytechnique (France) to measure in the same experimental conditions the 2p-3d transitions of several elements with the neighboring atomic number Z: Fe, Ni, Cu, and Ge [G. Loisel et al., High Energy Density Phys. 5, 173 (2009)]. Hence, a spectrometer with a wide spectral range is needed. This spectrometer features two lines of sight. In this example, one line of sight looks through the sample and the other one is looking directly at the backlighter emission. Both are outfitted with a spherical condensing mirror. A TlAP crystal is used for spectral dispersion. Detection is made with an image plate Fuji BAS TR2025, which is sensitive to x rays. We present some experimental results showing the performances of this spectrometer.     

等离子体诊断用成像型软X射线三色谱仪设计

围绕激光惯性约束聚变研究中内爆靶丸的辐射流诊断需求,设计了一种兼顾空间成像功能的三色软X射线谱仪。该谱仪的设计中心能点为210eV、680eV和800eV,能谱分辨率E/ΔE为5~10。采用X射线掠入射光学结构,实现了三个能点的一维聚焦成像,在1mm视场内空间分辨率优于10μm。采用X射线周期多层膜,获得了三个能区的能谱响应,多层膜测试结果满足设计要求。以光学设计和多层膜为基础,建立了系统的光线追迹模型,分析了可控的空间位置误差和瞄准误差对系统光谱分辨和空间分辨的影响,为装调方案及瞄准方法设计提供了精度依据。该谱仪与条纹相机结合,可用于我国强激光装置上的等离子体诊断实验。     

Quantitative nanoscale water mapping in frozen-hydrated skin by low-loss electron energy-loss spectroscopy

Spatially resolved low-loss electron energy-loss spectroscopy (EELS) is a powerful method to quantitatively determine the water distribution in frozen-hydrated biological materials at high spatial resolution. However, hydrated tissue, particularly its hydrophilic protein-rich component, is very sensitive to electron radiation. This sensitivity has traditionally limited the achievable spatial resolution because of the relatively high noise associated with low-dose data acquisition. We show that the damage caused by high-dose data acquisition affects the accuracy of a multiple-least-squares (MLS) compositional analysis because of inaccuracies in the reference spectrum used to represent the protein. Higher spatial resolution combined with more accurate compositional analysis can be achieved if a reference spectrum is used that better represents the electron-beam-damaged protein component under frozen-hydrated conditions rather than one separately collected from dry protein under low-dose conditions. We thus introduce a method to extract the best-fitting protein reference spectrum from an experimental spectrum dataset. This method can be used when the MLS-fitting problem is sufficiently constrained so that the only unknown is the reference spectrum for the protein component. We apply this approach to map the distribution of water in cryo-sections obtained from frozen-hydrated tissue of porcine skin. The raw spectral data were collected at doses up to 10⁵ e/nm² despite the fact that observable damage begins at doses as low as 10³ e/nm². The resulting spatial resolution of 10 nm is 5–10 times better than that in previous studies of frozen-hydrated tissue and is sufficient to resolve sub-cellular water fluctuations as well as the inter-cellular lipid-rich regions of skin where water-mediated processes are believed to play a significant role in the phenotype of keratinocytes in the stratum corneum.     

Automated luminescent topographic system

A new optical-scanning technique with a spatial resolution of 10 mum has been developed for the observation of surface luminescence. The photoluminescence topographic technique is a fully automated system capable of measuring luminescence intensity from a surface area as large as 25.8 cm(3) as well as the actual luminescence spectra from a spot as small as 10 mum in diameter. The system consists of an Ar-ion laser for excitation, a bidirectional scanner with focusing lens, a spectrometer for high spectral resolution, and a photomultiplier for photon counting. Experimental control and data acquisition and display are performed by a Hewlett-Packard 9820A calculator and interface package. Applications of the technique in the analysis of impurity segregation in semiconductor wafers are illustrated.     

基于膜进样的紫外光电离飞行时间质谱仪研制及其在工作场所苯系物检测中的应用

近年来,挥发性有机物（VOCs）快速、在线分析的应用需求促进了各类VOCs在线分析质谱仪的发展。本研究自行研制基于膜进样技术的小型紫外光电离飞行时间质谱仪,并阐述设计原理、性能表征及其对工作场所VOCs的检测应用。仪器采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为进样界面,既保证了仪器的真空,又起到富集VOCs并降低检出限的作用。电离源使用发射10.6 eV光子的氪灯作为光源,可电离低于10.6 eV电离能的VOCs,并产生分子离子峰,这一特性便于谱图识别与高通量分析。飞行时间质量分析器采用小型化设计,总长度小于360 mm。结果表明,该仪器在m/z 170处全高半峰宽（FWHM）分辨率为2 000,苯、甲苯、对二甲苯的检出限在5×10^-10~3×10^-9 mol/mol之间。将该仪器用于工作场所中苯系物成分分析,取得了良好的靶向分析结果。