變柵距透射光柵譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光譜儀作為一種常見的分析儀器,在各個研究領(lǐng)域已經(jīng)成為必不可少的一種科研工具。光譜儀的發(fā)展已經(jīng)有了上百年的歷史,隨著機(jī)械加工手段的進(jìn)步和光電轉(zhuǎn)換器件的廣泛應(yīng)用,光譜儀器已經(jīng)成為了以光為核心的集光機(jī)電于一體的精密分析儀器。
　　 目前常用的光譜儀基本都是采用閃耀光柵作為核心分光器件,基于平面對稱的切爾尼-特納光路系統(tǒng)設(shè)計。與采用閃耀光柵的反射光柵光譜儀相比,透射光柵光譜儀具有光路結(jié)構(gòu)簡單、適用波長范圍廣等優(yōu)點。尤其在真空紫外和X射線

2、波段,由于任何材料對真空紫外、X射線波段的吸收都相當(dāng)嚴(yán)重,閃耀光柵光譜儀就不再適用,透射光柵光譜儀在真空紫外、X射線波段有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文首先介紹了光柵光譜儀的理論、發(fā)展及主要應(yīng)用,介紹了反射式光柵光譜儀的基本原理和應(yīng)用。從透射光柵的基本衍射原理入手,研究了透射光柵光譜儀的幾個關(guān)鍵組成部分。在理論分析的基礎(chǔ)上,對透射光柵光譜儀各個部分進(jìn)行了模擬與設(shè)計。
　　 (1)針對變柵距光柵的柵距非線性變化特殊要求

3、,通過采用自主編寫的變柵距光柵版圖自動生成宏文件,利用電子束光刻結(jié)合紫外光刻工藝技術(shù),設(shè)計并成功制作了光譜儀核心分光器件透射變柵距光柵,檢測了變柵距光柵的衍射特性。包括自聚焦變柵距光柵和X射線透射變柵距光柵。
　　 (2)成功制作出了中心線數(shù)為300lp/mm自聚焦變柵距光柵和中心線數(shù)為2000lp/mmX射線透射變柵距光柵。將所制作的變柵距光柵在相應(yīng)的檢測平臺分別進(jìn)行了檢測。測試結(jié)果表明,自聚焦變柵距光柵可以使得一級衍射光的線

4、寬比普通等柵距光柵的衍射光線寬壓縮了兩個數(shù)量級,同時使得一級衍射光強(qiáng)提高近7倍;X射線透射變柵距光柵使得入射光的衍射線寬比普通等柵距光柵壓縮一半,同時使得衍射光強(qiáng)提高一倍。實驗結(jié)果顯示,采用變柵距光柵可以大幅度提高衍射光強(qiáng)和光譜分辨率。因此使用透射變柵距光柵在真空紫外及X射線波段進(jìn)行光譜分析有著很好的應(yīng)用前景。
　　 (3)設(shè)計了透射光柵光譜儀的光路,通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行了仿真模擬。根據(jù)光路模擬仿真結(jié)果,設(shè)計了整個系統(tǒng)

5、的機(jī)械結(jié)構(gòu),使用Soldiworks機(jī)械設(shè)計軟件進(jìn)行了模擬與設(shè)計。同時優(yōu)化了光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù),加工了符合要求的光譜儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
　　 (4)采用了線陣CCD作為光譜儀的光電接收系統(tǒng),整體設(shè)計了基于FPGA的線陣CCD的信號處理電路,運用VerilogHDL硬件描述語言對系統(tǒng)電路進(jìn)行了描述。分析了CCD的性能參數(shù)并選擇了CCD的具體型號,完成了產(chǎn)生CCD驅(qū)動時序脈沖的FPGA設(shè)計。利用FPGA控制CCD信號的采集和A/D轉(zhuǎn)換

6、,編寫了利用FPGA控制A/D采樣控制的程序。利用了FPGA內(nèi)部的雙口RAM對信號進(jìn)行存儲,編寫了雙口RAM的地址發(fā)生程序。系統(tǒng)通過使用USB進(jìn)行信號傳輸,編寫了USB的接口控制程序。給出了所有設(shè)計的邏輯代碼及外圍連接電路圖。
　　 (5)分析了透射光柵光譜儀的解譜技術(shù)和定標(biāo)方法,研究了采用低壓汞燈作為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定光源的關(guān)鍵技術(shù),根據(jù)低壓汞燈在可見光波段的主要譜線采用5點定標(biāo)的分析方法,將5條特征譜線所對應(yīng)的區(qū)域劃分為4個線性區(qū)域,