通过引入自动扫描光栅单色仪, 实现了快速色散测量, 极大程度地降低了载波包络偏频慢漂对测量准确度的影响, 降低了测量复杂度, 提高了色散测量精度。以815 nm钛宝石锁模激光器作为光源, 以自建的八镜光学腔作为参考, 对厚度约为6.35 mm的熔融石英窗片的群延迟色散(GDD)进行了测量, 结果与Sellmeier方程给出的理论值相差1.2 fs2, 不准确度仅为0.5%。测得八镜光学腔在常温常压状态下的GDD为28.8 fs2, 比理论值低约12 fs2, 原因可归结为8片腔镜镀膜的不均匀性。

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达, 采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法, 对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究, 取得了边界层内的大气温度数据。结果表明, 该激光雷达测量的大气温度在0km～2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性, 激光能量为100mJ, 测量时间约为17min, 垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K, 可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量; 如果要使测量的高度进一步增加, 可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。

为了获得宽波段高分辨率的单色光, 对成像光谱仪进行了波长标定, 设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构, 针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题, 创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法, 通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移, 有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构, 通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出, 保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率; 并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描, 使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明, 仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm, 波长重复性分别为 0.094、0.186、0.372 nm, 波长准确度分别为0.096、 0.191、0.382 nm, 达到了设计目标, 满足成像光谱仪波长定标的使用要求。

光阴极辐射灵敏度是衡量紫外探测器响应能力的一项重要指标, 实现其准确测量至关重要。本文建立了某型紫外探测器光阴极辐射灵敏度测量方法, 搭建了实用的紫外光阴极辐射灵敏度测量装置, 重点分析了利用该装置进行紫外光阴极辐射灵敏度测量时的影响因素, 对比了紫外窄带滤光片、光栅单色仪、辐射照度计和辐射功率计等不同组合方式进行光阴极辐射灵敏度测量时的误差情况, 得出光栅单色仪配辐射功率计方式在光阴极辐射灵敏度测量时的误差最小, 扩展不确定为9%, 相比其它三种组合19.4%、19%和11.2%的扩展不确定度具有绝对优势。该研究成果用于辅助国产紫外探测器技术研发, 为进一步改进提升其技术性能提供了有效且准确的检测手段。

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备, 为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标, 设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。 采用水平式Czerny-Turner光路结构, 以高光谱分辨率为出发点, 通过推导计算, 从光栅选型、 焦距计算、 狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路, 给出仪器的重要必要结构参数, 并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。 根据光栅单色仪的光路特点, 对入射狭缝组件、 准直物镜组件和成像物镜组件、 扫描结构、 机身等进行轻小型机械结构设计, 并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系, 完成了仪器的整体结构设计和装调。 应用汞灯可见光光谱进行波长定标, 采用最小二乘法得到定标曲线, 并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法, 求得仪器的波长重复性和波长准确度; 仪器在400~800 nm波长范围内, 光谱分辨率优于0.1 nm, 波长重复性达±0.096 6 nm, 波长准确度达±0.096 9 nm。

单色仪在加工和安装过程中不可避免的存在误差,必须对其进行标定后才能使用.传统上采用汞灯的标定方法,波长数量有限,限制了单色仪的标定精度.在研究光栅单色仪原理的基础上,提出了一种基于连续光谱光源的单色仪标定方法,设计并搭建了标定实验系统,系统由宽波段光源、光源电源、滤光片、单色仪、光谱仪及计算机构成.采用卤钨灯作为光源,用光谱仪分别测量卤钨灯经单色仪后的辐射、直接测量卤钨灯的辐射,二者相比得到单色仪透过率函数,消除了卤钨灯辐射以及光谱仪响应函数的影响.在刻度盘的某一读数位置,获得单色仪透过率函数并进行归一化,并计算峰值波长,得到一组峰值波长和刻度盘读数的数据.该方法共采集了22组波长数据,用于单色仪的标定.分别采用8点、14点、18点、22点,采用线性拟合和二次拟合,得到了单色仪的波长与刻度盘读数的关系式.标定点数从8个(8点标定类似于汞灯特征谱标定)增加到22个,误差减小明显,将22点二次拟合的结果作为单色仪最终的标定结果.实验结果表明,采用连续光谱光源的单色仪标定方法获得的标定点数更多,标定结果优于传统的采用汞灯的标定方法.

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。

搭建了一套适用于短波红外焦平面的相对响应光谱自动测试系统。系统测试程序在LabVIEW虚拟仪器开发环境下完成,具备光栅单色仪的控制、数据采集处理与存储等功能。系统采用单光路标准代替法实现了相对响应光谱的校准。测试了InGaAs短波红外线列焦平面,得到了每个像元校准后的相对响应光谱,提取了峰值波长、截止波长等参数在线列上的分布情况,实现了对焦平面全像元的相对响应光谱测试。

为提高上海光源搭建的国内首条软X射线谱学显微光束线站的整体性能，分析了其分光装置-变包含角平面光栅单色仪在波长扫描过程中影响谱学显微光束线光斑水平漂移的各个因素，推导出了各因素与光斑水平漂移的传递关系，并结合具体要求进行了误差分配。针对光斑水平角漂移重复精度的检测，采用自准直原理，构建了测试系统。利用该系统，完成了谱学显微光束线站光斑水平漂移重复精度的离线检测，其结果为0.67″，满足设计指标1″的要求。对安装调试后的束线进行了总体性能测试，结果均满足谱学显微设计和使用要求。由此表明，提出的对谱学显微光束线光斑水平漂移误差来源的分析及检测方法，有效保证了束线性能的实现。

研究了Czerny-Turner正交型光栅单色仪的波长校准技术。 结合单色仪的结构参数和特点， 提出以符合光栅方程的正弦曲线作为仪器出射波长的校准方程， 基于最小二乘法原理给出校准方程的拟合残差表达式， 由于校准方程的非线性， 应用二维Nelder-Mead单纯形法求解拟合残差的待定系数， 建立了波长与光栅转角的精确表达式， 并通过实验验证了该算法的准确性。 结果表明， 经过校准的单色仪波长定位精度小于0.1 nm， 比设计要求提高一个数量级。 该方法在Czerny-Turner正交型光栅单色仪的波长校准过程中， 应用简单， 容易实现， 只需稍加修改步进电机的控制程序， 即可完成对仪器出射波长的快速实时校准， 实用性强。