光栅单色器及相关技术

国家同步辐射实验室（NSRL）通过建设国家大科学工程项目,在真空紫外和软X－光光学系统方面积累丰富的经验,建立了比较齐全的设计和检测等软件和硬件设施,本文介绍了NSRL已经研制及正在研制的光学单色器系统,以及在大型光栅光谱仪器技术方面的工作,包括光学设计、机械结构设计、超高真空技术,电子学硬件、软件设计和光学系统调试等内容。     

SX-700单色器光栅正弦机构数值模拟分析与测试

SX-700单色器是上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线的核心部件;光栅正弦机构是其重要的组件,其波长扫描转角重复精度要求优于0.43”。为了验证设计能达到预期的精度指标,本文详细介绍了该单色器光栅正弦机构的转角精度误差来源,运用有限元分析软件ANSYS对光栅正弦机构中的正弦杆和驱动杆进行数值模拟,根据模拟结果对光栅正弦机构的转角精度进行误差分析,得转角重复精度为0.28”。利用我们建立的一套由光电自准直仪组成的测试系统测得光栅正弦机构的转角重复精度为0.15”。结果表明：光栅正弦机构的设计满足转角重复精度要求。     

水冷双晶单色器结构的研究

介绍了同步辐射双晶单色器第1晶体热负载的情况,分析了热变形的原因,尝试了用光学追迹的SHADOW软件计算同步光在晶面上的能量分布,并用有限元方法模拟分析了底冷式和曲顶槽式两种水冷结构.结果表明,两种水冷却结构均能有效降低晶体表面的温升,减小变形量,其投角的变化小于投角调节精度(1μrad),其中曲顶槽型结构效果更佳,可用于晶体表面热功率密度约为1.0W/mm²的场合.     

变包含角平面光栅单色器扫描转角精度的检测

针对上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线站高分辨变包含角单色器(VAPGM)在超高真空环境下对波长扫描机构转角精度的现场测试,提出了一种实用、有效的检测方法。采用自制的多角棱镜,结合高精度光电自准直仪进行现场测试。首先,介绍了单色器波长扫描原理,给出角度与波长的关系;接着,理论分析了转角精度与系统分辨率之间的关系;最后,介绍了该方法的检测原理、装置及检测步骤。利用该方法完成了VAPGM平面镜(PM)和平面光栅(PG)转角精度的检测,结果分别为0.19″,0.22″,满足单色器技术指标要求。在电离室在线检测了标定后的单色器系统的分辨率,测试结果好于10000,进一步验证了该检测方法的有效性。     

SX-700单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量

为了使上海光源(SSRF)研制的SX-700单色器的主要设计指标——波长扫描转角重复精度满足优于0.43″的要求,研究了单色器的波长扫描组件—光栅正弦机构的转角精度误差来源。设计单色器结构时,运用有限元分析软件AN-SYS对光栅正弦机构进行数值模拟计算,并根据模拟结果对光栅正弦机构的转角重复精度进行了误差分析,得到的转角重复精度为0.28″。依据分析结果制定了工程设计方案,并成功加工、装配了SX-700单色器。利用作者建立的一套由光电自准直仪组成的测试系统对光栅正弦机构的转角重复精度进行测试,实测精度为0.15″。结果表明,设计的SSRF的SX-700单色器光栅正弦机构的转角重复精度满足设计要求。     

温度对复制光栅衍射波前的影响

本文针对复帛晃栅过程中,温度不稳定造成复制品衍射波前失真的问题进行了分析,并通过反复实验确定了复制光栅最佳时间,从而提高复制光栅的一次成品率,母板利用率和使用寿命。     

层间扩散对多层膜镜单色器性能的影响

结合新近发展的多层膜极化超镜涂层材料CoFe／TiZr,采用中子反射实验测量数据,以矩阵方法为基础,对有无考虑层间扩散、表层氧化两种情况进行了进行了理论计算。采用超镜实际结构设计方法（Real Structure Design,RSD）,运用双势函数处理模型,考虑表层氧化,获得了新型超镜涂层材料CoFe／TiZr镀制多层膜镜单色器的工艺要求以及有效中子损失情况。计算结果可为采用CoFe／TiZr作为涂层材料镀制多层膜镜单色器或者多层膜镜单色器的制备及理论设计优化工作提供有价值的参考。     

双晶单色器微调机构柔性铰链的设计

阐述了双晶单色器微调机构的基本原理,对其关键零件柔性铰链的设计作了详细介绍,利用计算机进行优化计算,应用有限元法对柔性铰链作了应力与变形分析。结果表明,有限元分析的计算值与实验测量值接近,说明采用柔性铰链的微调机构能满足精度要求。     

消除温度漂移的桥路

本文设计了一种用于消除电阻式传感器温度漂移的桥路,它的基本组成部分是两个半桥,共用一个参考臂,后面各接一个差动放大器。放大器增益可调,这样,两个半桥用于传感器温度变化而产生的输出电压相互抵消。这种设计可以大大补偿传感器的温度灵敏度失调而不降低其灵敏度。     

光栅单色仪中光谱重建的影响因素分析

针对一种以Ⅳ型全息凹面光栅为核心元件的单色仪,为了保证仪器的光谱重建精度以提高波长准确性,通过频谱计算和理论推导对光谱重建过程中的抽样间距、光谱半高宽、探测器的光敏单元宽度和灵敏度常数等影响因素进行了分析,讨论了它们的取值关系对系统能否满足抽样定理的影响,得到了抽样间距与光敏单元宽度的合理取值区域,并应用在该型单色仪的设计实例中,为同类结构的单色仪提供了准确重建光谱的思路与方法。     

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。     

差分吸收NO_2激光雷达波长漂移和能量波动对浓度反演的影响

为评估差分吸收二氧化氮激光雷达中激光器的稳定性对反演浓度的影响,以NO_2的吸收谱和激光雷达方程为基础,分析了波长漂移和能量波动对距离分辨差分吸收激光雷达浓度反演带来的相对误差。采用两台Nd:YAG激光器的354.7nm波长分别泵浦两台染料激光器的方式,产生差分吸收探测所需的两个波长λon(448.10nm)和λoff(446.80nm),搭建探测大气NO_2实验系统,并就波长漂移和能量波动对NO_2浓度反演影响进行了实验验证。实验结果表明:在没有稳频条件下,当λon和λoff波长漂移≤0.005nm时,引起的浓度相对误差为≤3%;能量波动对反演浓度没有影响,但能量降低减小探测距离,当能量下降≤5%时,探测距离≤100m,实验结果与理论计算基本一致。最后,开展了大气NO_2浓度实验观测,获得实验期间水平及垂直高度0.5~3km内NO_2浓度的分布廓线,系统稳定可靠。本方法为实用化NO_2差分吸收激光雷达的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

光纤陀螺温度漂移的多尺度集成建模研究

为了逼近光纤陀螺(FOG)温度漂移的复杂非线性关系,提出一种基于有界整体经验模态分解(BEEMD)和极限学习机(ELM)的多尺度集成建模方法(SE-BEEMD-ELM)。采用样本熵(SE)分析BEEMD分解得到的本征模态函数(IMF)序列,根据SE值变化趋势和大小得到漂移数据的多个尺度分量。分别以温度梯度变化和单一尺度分量训练ELM子模型,累加生成的多个子模型得到FOG温度漂移的集成模型。实验结果表明,基于SE-BEEMD-ELM的多尺度集成建模方法,建模精度较基于BEEMD-BP以及BEEMD-ELM的单一模型提高2个量级。     

基于最小二乘法的电化学传感器温漂补偿研究

现有的电化学氢气传感器其温度特性不太理想,传感器输出的灵敏度与零点值随温度的变化发生漂移,测量精度不高,误差较大,因此需对其进行温度漂移补偿[1-4]。基于最小二乘法改进了一种多项式曲线拟合方法,通过一定的条件约束和工程估算,得到一种温度漂移补偿算法[5]。利用该算法对不同温度下的实测数据进行处理,极大改善了环境温度变化对系统输出的影响,通过理论数据和实测数据验证了算法的有效性和可行性,并用于工程实践。     

电子分析天平温度漂移补偿算法研究

基于电磁力平衡传感器的电子分析天平温度漂移影响复杂,尚无理想的解决方案。现有天平的温度漂移补偿主要依靠基于晶体管的硬件电路实现,适用温度范围窄、精度低、灵活性差。依据电磁力平衡传感器的工作机理,深入研究与天平称量结果密切相关的各元件参数温度特性,建立了电子分析天平温度漂移数学模型,对该模型进行了称量精度要求内的合理简化。通过对温度敏感元件的温度测量及测量滞后分析,提出了温度漂移的分段线性加权补偿算法,实现了温度漂移快速准确地自动补偿。检验结果表明,采用该补偿算法,量程200 g、分辨力0.1 mg的电子分析天平在18~23℃的工作温度范围内,满载示值误差的绝对值≤0.3 mg,优于国家标准《GB/T 26497-2011电子天平》规定的I级天平温度漂移对示值的影响指标。     

基于最小分辨率的MEMS陀螺漂移抑制方法研究

针对油气井MEMS陀螺定向测斜仪存在的漂移大,精度较低的问题,本文从实际工程应用角度出发,在研究MEMS陀螺仪输出信号漂移特性的基础上,提出了基于最小分辨率的MEMS陀螺漂移抑制方法,利用输出采样的差分值,从MEMS陀螺输出中将传感信号和漂移信号分离,同时通过静态测点对漂移进行估计.实验表明,该方法大幅提高了仪器测量精度,使定向精度提高50％以上,同时该方法为其它类似传感器漂移抑制提供了一种有益的参考.     

双头管封装光纤Bragg光栅低温传感试验研究

提出并设计了一种用于低温环境下测量温度的光纤布拉格光栅(FBG)双头管式封装结构,探究了涂覆层材料和封装形式对光纤Bragg光栅传感器低温传感稳定性和精度的影响。同时,试验研究了封装长度对双头管式传感器中心波长与温度的关系,通过多次重复试验测定了传感器低温灵敏度和重复性误差。研究结果表明：由于高折丙烯酸酯涂覆层具有较高的热膨胀系数,因此在77～273 K液氮环境中其增敏效果相对于聚酰亚胺和裸光纤更为显著;采用双头管封装后,FBG中心波长与温度具有高度线性关系,且能有效解决无封装裸FBG易受荷载扰动特性;适当提高封装长度有利于提高封装体系灵敏度系数。重复试验结果表明,所设计的双头管式封装FBG低温传感器灵敏度可达14～20 pm/K,测试误差和灵敏度优于传统FBG低温传感器。     

基于反射型全息光栅的温度响应特性研究

针对全息材料的热膨胀,研究了温度变化时,全息光栅条纹结构的变化情况并对多块不同制备条件下记录的反射型全息光栅进行20℃到80℃间的温度特性测量。测量结果表明,反射型全息光栅的衍射布拉格峰随温度变化而平移,最大衍射效率也因此改变。此外,反射型全息光栅对温度变化的敏感性与其条纹周期有关。     

基于粒子群解耦算法的 FBG 流量温度复合传感研究

针对光纤布拉格光栅流量温度复合传感解耦困难的问题,提出了一种基于粒子群解耦算法的光纤布拉格光栅流量温度复合传感器。首先,结合光纤布拉格光栅传感理论和流量温度复合传感理论,研究了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感机理。然后,设计了悬臂梁为空心圆柱的一体靶式结构的光纤布拉格光栅流量温度复合传感器,搭建了流量温度实验系统平台,进行了温度和流量复合传感实验。最后,提出了一种基于粒子群算法的FBG流量温度复合传感解耦方法,并运用所设计的粒子群算法对实验数据进行流量与温度解耦研究。研究结果表明,解耦后传感器在3～8 m~3/h的范围内其流量最大误差为0.014 m~3/h,温度最大误差为0.021℃,流量测量误差为0.28%,温度测量误差为1.5%,流量均方误差为1.16×10^-4 m~3/h,温度均方误差为1.53×10^-4℃,与神经网络算法进行性能比较后,结果表明所采用的粒子群算法解耦效果良好,有效地提高了传感器的测量精度。