应用中国科学院云南天文台丽江天文观测站1.8 m望远镜及其折轴光谱仪, 对18颗近太阳样本恒星进行了高色散光谱观测, 获得这些恒星高质量的高色散光谱。 表明原中国科学院国家天文台兴隆观测站2.16 m折轴光谱仪搬迁、 改造获得成功, 达到并超过了预期的效果。 以丽江天文观测站1.8 m望远镜及其折轴光谱仪观测获得的高质量的高色散光谱为基础, 应用高斯拟合方法测量了样本中17颗年轻类太阳恒星锂吸收线的等值宽度, 并计算了锂元素丰度。 应用Hall给出的经验公式, 计算了这些年轻恒星的Ca ⅡΗ和Κ(λ=395.0 nm)辐射强度。 讨论了锂元素丰度和表明恒星色球活动的Ca H和K线辐射强度之间的关系。 发现锂元素丰度值高的年轻恒星, 其Ca H和K线辐射更强。 考虑到恒星自转速度随恒星年龄的变化, 小质量主序前恒星随着恒星年龄的增加, 自转明显的加快; 主序恒星随着恒星年龄的增加, 自转逐渐变慢。 我们的结果支持恒星自转越快, 其活动性也就越强, 以及色球活动较强的恒星具有高的锂元素丰度值。

简述了光谱仪的原理、阶梯光栅的基本原理和光栅光谱仪的特性参数。针对目前国内正在研制的光纤阵列太阳光学望远镜,提供了一种太阳光栅光谱仪结构的设计方案。根据太阳光栅光谱仪接收整个太阳光谱的要求,该方案采用了双狭缝设计。根据太阳光栅光谱仪尺寸大、分辨率高、色散大的特点,该设计方案采用了白瞳设计,并对结构中各个元件的选择进行简要阐述。光谱仪采用光纤接入,光栅工作在准Littrow角条件下,以获得高衍射效率,同时辅以棱镜增大横向色散,分开重叠的光谱级次。整个系统结构简单紧凑,可以有效地缩小光谱仪尺寸。

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、 高分辨率、 宽波段、 全谱瞬态直读等诸多优点, 是先进光谱仪器的代表之一。 在中阶梯光栅光谱仪民用化、 商品化的发展趋势之下, 其二维谱图图像处理的地位越来越重要。 目前, 国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长, 但这种方法难以达到较为理想的要求。 为了提升运算速度、 波长提取精度以及成像误差补偿能力, 提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。 利用谱图还原算法, 将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图, 通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪, 实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。 先将二维谱图转换为一维图进行图像处理, 使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善, 还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。 采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验, 并使用该算法进行数据处理。 实验结果表明, 不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差, 而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度, 波长误差小于0.02 nm, 满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。

随着信息时代光谱分析技术的飞速发展，光谱仪器的高精度、低干扰、体积小型化等性能优势使其成为各领域各行业的优选信息获取手段。本文以光学设计的基本原理为指导、中阶梯光栅为核心、宽波长范围和高分辨力为设计目标，设计了一种基于切尼尔-特纳型光路结构的小型中阶梯光栅光谱仪系统。通过理论分析和计算，确定了系统的结构参数，并使用Zemax 软件进行光学仿真。结果表明，该系统在200～800 nm 的波段上理论分辨力优于0.1 nm。

由于中阶梯光栅光谱仪采用交叉色散的结构，在像面上呈现二维重叠光谱，光谱信息难以直接获取，所以使得光学系统设计与光谱信息处理较为繁琐。建立了一种基于边界限制的中阶梯光栅光谱仪快速设计与二维谱图的分析算法。讨论了中阶梯光栅光谱仪各性能参数的相互制约关系，建立了系统指标、结构参数与二维谱图的计算模型。该算法能够根据给定的系统指标快速计算出系统参数，根据系统参数构建二维谱图模型，并根据谱图模型评估结果对参数进行修正，提供中阶梯光栅光谱仪的快速设计与谱图分析方法。利用该数学模型设计了一台波段范围为200~900 nm，在200 nm处的分辨率为25000的中阶梯光栅光谱仪，经初步测试，仪器满足系统指标要求。

为了实现更宽波段范围内的全谱直读并获得较高的分辨率,对中阶梯光栅光谱仪的分光系统进行了研究。简述了中阶梯光栅与中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析了中阶梯光谱仪和普通光谱仪的区别,详细论述了一种利用中阶梯光栅作为主要分光元件,棱镜作为交叉色散原件的中阶梯光栅分光光路的设计方法,并最终在探测面上得到了可探测分析的二维谱图。通过对设计过程的详细论述,可以为今后从事中阶梯光栅光谱仪光学设计的研究者提供参考。

激光诱导等离子体光谱分析技术是一种非接触式实时检测技术，它已成为一种新兴的物质成分与浓度分析手段，并在工业生产等领域有着重要应用。为了使激光诱导等离子体光谱分析技术在极短的时间内同时获得全面的光谱信息，本文设计了一款波段范围为180~400 nm的轻小型中阶梯光栅光谱仪。通过分析其光学性能，确定了系统的结构参数，并对像差进行了分析校正。对汞灯特征光谱进行了测试标定，仪器光谱分辨率在253652 nm处可达0.036 8 nm，满足激光诱导光谱分析技术对仪器光学性能的需求。

中阶梯光栅光谱仪是一种高分辨率、 高精度新型光谱仪器, 其分辨率可达到几万至几十万, 结构参数的微小偏差严重影响着其分辨率和波长标定精度, 所以精确的装调方法是保证中阶梯光栅光谱仪性能指标的重要环节之一。 针对中阶梯光栅光谱仪的结构特点, 对中阶梯光栅光谱仪精确装调方法进行了研究。 该方法简便、 快捷, 适用于小体积、 封闭式结构设计的中阶梯光栅光谱仪。 通过该方法的装调, 使中阶梯光栅光谱仪工作状态与设计结果一致。 给出了最终波长标定结果, 其波长标定误差小于0.002 nm, 满足系统性能要求。

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。

中阶梯光栅光谱仪二维谱图中， 信号光斑位置的提取精度直接影响光谱分析精度， 是中阶梯光栅光谱仪研制中的关键问题之一。 为保证中阶梯光栅光谱仪的高分辨率特征（其分辨率一般为几千以上， 本仪器光谱分辨率为15 000）， 信号光斑的位置提取误差应小于0.03 mm（小于2个像素）。 在分析中阶梯光栅光谱仪谱图特征的基础上， 提出了一种基于质心法的信号光斑位置提取算法， 即通过搜索信号光斑探测窗口进行光斑判读以及信号光斑质心计算， 实现了信号光斑位置的精确读取。 实验结果表明， 采用该算法可以有效地去除噪声光斑的干扰， 实现信号光斑位置的快速精确读取， 位置提取误差小于2个像素， 波长误差小于0.02 nm， 满足本仪器要求。