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多光栅空间外差光谱仪关键技术研究及其应用
刘建利
学位类型博士
导师巴音贺希格(Bayanheshig)
2019-06-01
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词空间外差光谱技术 光谱数据分析 拉曼光谱分析 激光诱导击穿光谱分析
摘要空间外差光谱技术(Spatial Heterodyne Spectroscopy,SHS)是一种新型的静态干涉光谱分析技术,该技术将光栅与傅里叶变换光谱技术融于一体,衍射光栅的使用保证了在不移动任何元件的情况下,创建并记录整个干涉图样,并基于光栅的高光谱分辨率特性,使得仪器在特定的光谱范围内实现了光谱的超高精细结构分辨。此外,空间外差光谱仪还具有光通量大、高信噪比和结构紧凑集成度高等一系列优点。但在实际应用过程中,由于所用探测器像素数有限,使得空间外差光谱仪在保持高光谱分辨率的同时势必牺牲探测光谱范围,而满足了宽光谱范围探测需求则无法实现光谱的精细分辨,这极大地限制了该技术的应用发展。鉴于此,本文提出一种以多光栅模块为核心的多光栅空间外差光谱技术(Multi-grating Spatial Heterodyne Spectroscopy,MGSHS)。该技术利用多光栅模块代替传统SHS结构中光臂端的单块衍射光栅,通过增加多光栅模块中具有不同刻线密度的子光栅的数量,来实现宽光谱范围与高仪器分辨率的探测。MGSHS技术其实质可以理解为多个传统空间外差干涉仪的相互叠加,而多个拼接子光栅形成了这些干涉光谱仪叠加的紧凑形式。该技术不仅保留了传统SHS技术的诸多优点,同时克服了传统SHS技术探测的光谱范围与光谱分辨率间相互制约的缺陷,对推动空间外差光谱技术的应用发展具有重要意义。本文对多光栅空间外差光谱技术进行了系统性的研究,具体内容如下:1.介绍了空间外差光谱技术的研究背景与意义,归纳总结了当前国内外空间外差光谱技术的研究进展,同时概述了SHS在Raman与LIBS光谱探测领域的应用研究成果。2.针对传统空间外差光谱技术存在的缺陷,提出了具有高分辨率、宽光谱范围的多光栅空间外差光谱技术。在傅里叶变换光谱技术与传统SHS技术的理论基础上,建立了多光栅空间外差光谱技术的理论与数学模型。并将该技术分别与全反射可调式、中阶梯光栅式空间外差光谱技术进行比较,突出技术优势。3.为验证多光栅空间外差光谱技术原理正确性,从具有最简单结构形式(即所用多光栅模块仅由两种刻线密度不同的子光栅组成)的多光栅空间外差光谱系统着手,沿着提出设计、建模仿真、元件的选择与系统搭建、获取目标干涉图、干涉图数据处理、二维光谱复原这一整体思路,对提出的多光栅空间外差光谱技术进行讨论和研究。利用钠灯与汞灯作为测试光源,其光谱的准确复原验证了多光栅空间外差光谱技术的正确性与可行性。4.将多光栅空间外差光谱技术与拉曼光谱技术相结合。简述了拉曼光谱原理,并利用150线/mm与130线/mm刻线密度子光栅搭建了多光栅空间外差拉曼光谱系统,并利用汞灯对系统进行定标工作,确定了实际系统性能参数。最后在不同实验条件下对多种类型的样品进行了拉曼光谱实测分析。5.将多光栅空间外差光谱技术与激光诱导击穿光谱技术相结合。简述了等离子的产生与辐射机制,给出了多光栅空间外差激光诱导击穿光谱技术理论并搭建了试验系统。经汞灯定标确定了系统的实际性能参数,然后通过合理地设置系统时序实现激光诱导等离子体辐射光谱的探测。最后对铸铁合金及鸡蛋壳等样品进行激光诱导等离子体辐射光谱探测实验。6.针对多光栅空间外差Raman/LIBS系统复原光谱中存在连续背景干扰的问题,提出了一种基于多阶极小值点的光谱连续背景自动扣除算法。该算法利用三阶极小值点对光谱进行分段,并对分段区间内二阶极小值点进行有效点的筛选,由有效点集拟合的背景与光谱背景轮廓相契合。通过设计(简单、复杂)模拟光谱、实际(稀疏、密集)LIBS光谱及元素定量分析实验,验证了算法的有效性与正确性。最后分别对水杨酸甲酯的拉曼复原光谱与激光诱导鸡蛋壳等离子体辐射光谱中的连续背景进行拟合与扣除,表明该算法适用于多光栅空间外差Raman/LIBS光谱技术目标复原光谱的背景去除。
页数156
DOIA99C65CF40FBFFC99ACDAA47E1BBC53F
语种中文
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文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63864
专题中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式
GB/T 7714
刘建利. 多光栅空间外差光谱仪关键技术研究及其应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.
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