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基于凹面光栅的多通道光纤光谱仪光机结构优化设计

摘要

随着社会和经济的发展，环境保护和资源开发越来越重要，对海洋探测设备的需求

也越来越大。光谱分析技术具有分析速度快、测量精度高等优点，因此在海洋探测中发

挥着重要作用。光谱仪是利用光谱技术得到物质光谱曲线，对物质进行定性分析和定量

分析的一种光学精密仪器。传统光谱仪存在体积大、工作效率低等问题，因此开发适用

于海洋多目标探测的多通道光纤光谱仪具有重要意义。

本文根据海洋对多目标的探测需求，设计了一种基于凹面光栅的多通道光纤光谱仪。

该光谱仪采用多根光纤代替入射狭缝的方法，使得光谱仪的多个通道共用一套光学系统，

保证光谱仪检测效率提高的同时，体积不随之增大，既提高光谱仪的工作效率，又增加

了光谱仪的使用灵活性。

对不同光栅的光路结构进行对比分析，确定使用平场全息凹面光栅作为分光元件。

基于平场全息凹面光栅的理论知识，建立了光栅像差的优化函数，通过遗传算法和非线

性求解相结合的方法，求解优化函数，获得光栅使用的最佳结构参量和记录结构参量。

利用光学仿真软件对不同型号平场全息凹面光栅进行仿真，根据仿真效果，确定使用光

栅的具体型号，完成光学系统的设计，验证设计的正确性和可行性。

根据光学系统的结构参数，使用软件对光谱仪整体结构进行机械设计，包括机体、

入射模块、分光模块以及成像接收模块等。入射模块由光纤夹持器和光纤夹持器底座组

成，分光模块主要包含两块光栅底座，成像接收模块由可调节探测器移动和固定的底座

组成。设计GUI界面，使用Python完成界面编写，为用户提供可视化的图形操作界面。

然后加工设计图纸，组装光谱仪样机，并对样机进行整体调试。

搭建完整的光谱仪系统，选择合适的光源，采集光谱图，并对采集的图像进行数据

处理，完成波长的标定和检验。测得光谱仪实际分辨率为8nm，测量准确度为1.5nm。

结果表明本文设计的多通道光纤光谱仪结构完善、性能良好，满足设计需求，达到设计

目标。

关键词：多通道光纤光谱仪；平场全息凹面光栅；光学仿真；波长标定

基于凹面光栅的多通道光纤光谱仪光机结构优化设计

Abstract

Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,environmentalprotectionandresource

developmentarebecomingmoreandmoreimportant,andthedemandformarineexploration

equipmentisalsoincreasing.Spectralanalysistechnologyhastheadvantagesoffastanalysis

speedandhighmeasurementaccuracy,soitplaysanimportantroleinoceanexploration.

Spectrometerisakindofopticalprecisioninstrumentthatusesspectraltechnologytogetthe

spectralcurveofthesubstanceandconductqualitativeandquantitativeanalysisofthe

substance.Thetraditionalspectrometerhasproblemssuchaslargevolumeandlowworking

efficiency,soitisofgreatsignificancetodevelopamulti-channelfiberopticspectrometer

suitableformarinemulti-targetdetection.

Inthispaper,amulti-channelfiberopticalspectrometerbasedonconcaveg