【摘 要】
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微型光纤光谱仪以其体积小、重量轻、稳定性强、抗震动性能强等突出的优点,吸引了许多国内外学者的关注。在过去发展的几十年里,微型光谱仪已经在食品质量评估、气体成分检测、压力传感测量、医学诊断等领域得到了广泛应用。倾斜光纤光栅是一种特殊结构的光纤光栅,光栅平面上有一定的倾角,能够加强前向传输的纤芯模与辐射模或包层模间的耦合,这一特性使得它在光纤传感、光纤滤波等领域有着良好的应用前景。倾斜光纤光栅的辐射模
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微型光纤光谱仪以其体积小、重量轻、稳定性强、抗震动性能强等突出的优点,吸引了许多国内外学者的关注。在过去发展的几十年里,微型光谱仪已经在食品质量评估、气体成分检测、压力传感测量、医学诊断等领域得到了广泛应用。倾斜光纤光栅是一种特殊结构的光纤光栅,光栅平面上有一定的倾角,能够加强前向传输的纤芯模与辐射模或包层模间的耦合,这一特性使得它在光纤传感、光纤滤波等领域有着良好的应用前景。倾斜光纤光栅的辐射模具有优秀的分光特性,利用光栅的辐射模可将不同波长光信号以不同辐射角衍射出光纤,从而实现复色光信号的波长解调。由于光纤传光特性,基于倾斜光纤光栅的光谱解调系统能很大程度地减小系统光路的复杂度,进而减小仪器的体积,提高能量的利用率。本论文通过利用倾斜光纤光栅,进行衍射特性研究以及微型光谱仪的系统设计和软件开发,搭建了高灵敏度和高分辨率的微型光谱仪。论文研究内容主要包括:（1）倾斜光纤光栅的制备以及衍射特性研究:包括倾斜光纤光栅分光原理、制备过程以及性能测试。论文采用高斯光学构建衍射理论模型,建立衍射角与入射光波长、倾斜光纤光栅倾角和周期以及纤芯的折射率的关系。光栅制备系统基于准分子激光器和相位掩模板,利用商用光谱分析仪、光功率计、调谐激光器、CCD面阵等设备进行光栅性能测试。实验结果显示不同波长的光会以不同角度被衍射出来,与理论相符合。测试分光比与偏振消光比的实验显示当偏振消光比越大时分光比越大最终趋近于0.5,测试倾斜光纤光栅的极化分布实验结果为完美的8字形分布图,表明经过45°倾斜光纤光栅的衍射光是线性偏振光。（2）基于倾斜光纤光栅的微型光纤光谱仪的系统设计:包括光路建模、ZEMAX设计和仿真,光路的搭建以及系统的性能评估。利用瑞利判据对设计的光路系统分辨率表达式进行推导,并利用光学设计软件ZEMAX进行仿真模型设计。验证可行性后搭建起系统样机,光路结构只包括倾斜光纤光栅、透镜准直系统和CCD探测器。研究光纤光栅衍射光波长与光探测器之间的响应关系,实验结果显示倾斜光纤光栅光谱仪的波长分辨率为0.31nm,灵敏度为17.73μm/nm。（3）微型光纤光谱仪系统信号处理软件开发:包括软件的界面设计和程序的编写。基于Visual Studio 2019编译开发平台采用C#语言编写,包括串口控制、采集控制和标定校准。通过添加Label标签控件、Combo Box下拉组合框控件、Button按钮控件等,编写各个控件所对应的代码,生成应用程序能够显示光谱测量结果。
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