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小型紫外平场光谱仪光路优化及样机研制

作　者: 陈谭轩
导　师: 谭峭峰
学　校: 清华大学
专　业: 光学工程
关键词: 切尼-特纳光谱仪像差分辨率制冷电路
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

差分光学吸收光谱( DOAS: Differential Optical Absorption Spectroscopy)分析仪是检测大气中痕量气体的重要仪器,其关键部件——紫外光谱仪对DOAS分析仪的检出限和精度有决定性影响。本文针对DOAS分析仪的要求,研制了小型紫外平场切尼?特纳光谱仪样机。根据最低检出限要求,定义了差分信噪比这一新概念,并由此推导得到使检测误差最小的最优分辨率(0.5~0.7nm)。为保证在宽光谱范围内均满足该分辨率,研究了折叠型和基本型两种切尼?特纳色散光路的彗差和像散特性。发现在色散方向上经中心波长消初级彗差优化后的基本型切尼?特纳光路在宽光谱范围内的任意波长处均具有与中心波长近似一致的高分辨率。对结构参数进行优化以减小像散,提高能量利用率。应用研究结论并结合已有设计方法,归纳了完整的小型切尼?特纳色散光路的设计流程,并据此设计了在紫外光谱(200~400nm)范围内谱面平直、分辨率一致性好、能量利用率高的基本型切尼?特纳光路。根据色散光路及其调节要求,完成了光谱仪的机械设计,包括光纤耦合、光栅调节、反射镜调节等关键机构。根据最低检出限要求,基于差分噪声的分析,完成了光谱探测器的选型,并设计制作了制冷降噪电路,完成了时序驱动模块的设计。进行了切尼?特纳光谱仪像差和分辨率的实验研究,得到了折叠型和基本型两种结构的彗差、分辨率随波长变化的关系,与理论分析相符。完成了小型平场紫外光谱仪整机连调和实验,对汞灯光谱的测量实验结果表明样机已达到最优分辨率的设计要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-18
  1.1 长光程差分光学吸收光谱检测(DOAS)技术概述  8-12
    1.1.1 痕量气体检测的意义  8
    1.1.2 长光程 DOAS 技术原理及其折叠式发展趋势  8-12
  1.2 光谱仪在DOAS 系统中的应用  12-17
    1.2.1 系统对光谱仪的一般性应用要求  13
    1.2.2 系统对光谱仪的重要特性要求  13-15
    1.2.3 国外 DOAS 技术中光谱仪部分简介  15-16
    1.2.4 商用光谱仪的特点及独立研制光谱仪的必要性  16-17
  1.3 本论文的研究目标与主要内容  17-18
第2章小型光谱仪分辨率分析及紫外色散光路设计  18-55
  2.1 本章引言  18
  2.2 光谱仪光学基础  18-23
    2.2.1 光源及照明系统  18
    2.2.2 色散系统  18-20
    2.2.3 分辨率  20-23
  2.3 切尼-特纳光路结构及其像差  23-24
  2.4 切尼-特纳光路色散方向像差研究  24-41
    2.4.1 彗差简介及研究宽光谱范围内彗差的必要性  24-25
    2.4.2 初级彗差分析  25-38
    2.4.3 残余彗差初步分析  38-41
  2.5 切尼-特纳垂直色散方向像差研究  41-43
  2.6 色散光路设计  43-54
    2.6.1 光路设计一般流程  43-46
    2.6.2 一些问题的进一步讨论  46-50
    2.6.3 实际设计结果  50-51
    2.6.4 设计结果的分辨率和能量利用率估计  51-52
    2.6.5 杂光的来源与控制  52-54
  2.7 本章小结  54-55
第3章原理样机的制作与装调实验  55-75
  3.1 本章引言  55
  3.2 机械结构设计  55-61
    3.2.1 基本设计指导思想  55
    3.2.2 光路各元件装卡和调整机构  55-59
    3.2.3 盒体与盒盖  59-60
    3.2.4 机械结构总体设计结果  60-61
  3.3 探测器选择及制冷必要性论证  61-64
    3.3.1 紫外探测器简介  61
    3.3.2 探测器比较选择  61-63
    3.3.3 探测器制冷结果仿真  63-64
  3.4 温控电路设计  64-67
    3.4.1 半导体制冷器原理及MAX1978 专用温控芯片  64-65
    3.4.2 实际设计  65-67
  3.5 S5931-1024S 驱动模块设计  67-68
  3.6 基于VHDL 的探测器及AD 驱动程序编写  68-71
  3.7 装调实验  71-74
    3.7.1 实验原理  71
    3.7.2 实验过程及结果  71-74
  3.8 本章小结  74-75
第4章结论与展望  75-77
  4.1 论文总结及创新点  75-76
  4.2 进一步工作的展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  81

小型紫外平场光谱仪光路优化及样机研制

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