一种紫外光谱测量的微型光纤光栅光谱仪设计（可编辑）

一种紫外光谱测量的微型光纤光栅光谱仪设计（可编辑） 一种紫外光谱测量的微型光纤光栅光谱仪设计 维普资讯 ////0>. . 测 试 技 术 学 报 年 第 卷 第 期 .总第期 文章编号: ?? ? 一 种紫外光谱测量的微型光纤 光栅光谱仪设计 冯志庆, 李福田 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,吉林 长春摘 要: 介绍了用于太阳紫外光谱 测量微型光纤光栅光谱仪.该谱仪采用 ? 正交型结 构,采用滨松自扫描光电二极管阵列 为探测元件.介绍了谱仪的辐射定标和探测器驱动及数据采集 电路设计,讨论了积分时间与信噪比之间的关系. 关键词: 光谱学;辐射定标;光纤光栅光谱仪;太阳紫外;自扫描光电二极管阵列 中图分类号: . 文献标识码: ?, ? , ,, ,, : ?. ~ ,? . . .? . :; ;;; ? 引 言 探测器阵列的出现给光学仪器的发展带来了巨大的革命,促进了空间光学,等离子体物理,地面和 空间遥感, 射线激光及时间分辨光谱学等前沿科学和高技术的发展.在光谱仪器领域最具特色的是平 焦场多通道光谱仪和成像光谱仪的诞生和高速发展,同时,探测器阵列的高度集成特点也使仪器的微型 化成为可能.目前,用于医疗鉴别,生物监测,化学等领域的微型掌上多通道光谱分析仪成为光谱 分析领域的热点 .在遥感领域,小型化多通道光谱仪也将成为下一代光谱遥感仪器的重点研究目标, 采用线阵探测器阵列方式光谱仪为全固态安装,没有机械传动,延长了使用寿命;减小传统倍增管探测 方式仪器的体积,提高了定位精度.在弱光探测领域,可采用光电阴极 微型多通道板荧光 收稿日期; ? ? 作者简介;冯志庆 一 ,男,博士生,主要从事光谱仪器及光谱技术的研究维普资讯 ////. 总第 期 一种紫外光谱测量的微型光纤光栅光谱仪设计 冯志庆等 粉 方式,即所谓的像增强器方式来弥补增益的不足. 本文设计了采用 ? 正交方式的微型多通道光谱仪,为增加紫外波段的光谱响应,反射元件表面,平 面衍射光栅表面镀膜.谱仪的任务是观测太阳紫外光谱的细节,探测器采用了日本滨松的光电 二极管阵列.该探测器有高的势阱深度,可达到 : 的信噪比.适合强光条件 下吸收光谱探测. 实验装置 . 仪器光路及结构 光线通过引导光纤,入射狭缝 进入仪器投射到准直镜上,使光线投射到光栅 上,光栅衍射 后的光线经过聚光镜 会聚到探测器光敏面上. 多色仪采用的是正交排列的 ? 变形结构 ,这种 结构比较容易通过内部光栏来抑制杂散光,避免从入 缝看见第二反射镜面,而且便于光路装调.聚物镜到 谱面中心距离为 ,光栅常数为线/ .光 栅和两反射镜均采用玻璃溅射铝膜后镀。膜而成. 对 ~ 太阳紫外/大气光谱有好于的反射率.光纤采用美国 公司的 图 仪器光路图 一 ? 光纤.光纤芯径 .,入射狭缝..,分辨率为 . ,色散为 ./. . 系统的软硬件设计 探测器采用日本滨松的 一 ,为提高系统稳定性,适应外空间低温度,高辐射环境, 探测器的驱动、信号放大、数据采集电路均自行设计,不再使用滨松的 驱动电路,根据外空间太 阳光谱实际数据和探测器性能计算,积分时间可从~,而采样频率可最低降至 .在积 分时间允许范围内,低一些的信号读出速率可降低读出噪声 .电路分两部分: ? 探测 器驱动和数据采集;? 控制,数据存储和通信. 探测器驱动电路原理图,如图 所示. 图 探测器驱动电路原理图 . 维普资讯 ////.测 试 技 术 学 报 年第 期 二极管阵列驱动的核心元件是一片公司 系列的 ,通过其内 部可编程逻辑电路实现阵列探测器的 , , 等时序信号驱动 如图 所示 ,驱动脉冲边沿与 外部时钟信号 同步.而积分脉冲通过 定时器定时改变特定引脚电平状态触发 : ,使其输出与时钟同步的开始信号 厂?? 广?? 厂 ? 厂 积分的脉冲.信号放大设计为正比例倍放 大. / 采用的电源 分辨率?? . / 转换信号和 同步,由 、, ?????? 厂?? 厂普触发.转换完成后 / 转换器通过 % : ????????????? 广 脚引发中断通知 接收数据. 单元采用 工业级芯片,采 图 驱动时序图 用 存储数据.的主。 “。 “ 。 。 。 。 。。 要功能为:? 通过与主机通信并向主机传输数据;? 通过定时器中断定时发送积分脉冲至 ;? 响应 中断,并读取数据. 系统采用外置看门狗 ,系统使用了定时器中断,中断.定时积分和数据获取保存均 在中断内完成.主程序接收上位机命令改变积分时间和向上位机发送测量数据,上电后 启动 ,并定时 通知 发出积分脉冲.采用双缓冲循环覆盖方式保存数据,接到发送 数据命令后禁止中断并将上桢数据发送到上位机,发送完成后启动 中断.每完成一次数据 传送后要经过一个测量周期才能保证数据的准确性. 仪器辐射定标 光路中包括引导光纤、反射镜 两面 、光栅、线阵探测器共 个影响光谱传输的元件,通过定标可修 正因光学元件的光谱响应不同导致的测量光谱分布与真实分布的差异.定标的原理和目前已经很成 熟,关键在于所用光源的稳定性,准确性.定标采用英国 公司氘灯包含处 辐照度标准数据 作为 ~ 光谱辐照度 传递标准光源,中国计量院标准石英卤钨灯 包含处辐照度标准数据 ,作为 ~ 光谱 辐照度传递标准光源,如图 所示. 定标在无杂光的暗室内进行,标准光源通过衰 图~ 光谱辐照度定标示意图 ~ 减板照射到光纤端面上,进入谱仪.通过光源光谱 分布的测量值和实际值标准数据 的比可得出仪器 光谱响应度. 加入 衰减器可使积分时间加长,提高信噪比。氘灯定标原理相同,由于氘灯信号较弱,所以去 掉衰减器,在此不多叙述. 光谱仪的光谱辐照度 : ×。, 式中:为标准光源在引导光纤端面处的光谱辐照度 实际值 ;为探测器光谱测量值;为背景测量值;。为积分时间 若加入 %衰减板则为实际的 % . 测量与数据处理 由于探测器采用前向照明非制冷的线性二极管阵列,环境温度对暗电流和暗噪声的影响很大,一般 温度每升高~,暗电流要增加 倍,因而在测量时除了保证较低的环境温度,同时还要采用实