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中阶梯光栅光谱仪的光学设计唐玉国;宋楠;巴音贺希格;崔继承;陈今涌【摘要】为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究.简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别.利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统.该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500 nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350 nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面.该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2 000～15 000,满足设计要求.该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)009【总页数】7页(P1989-1995)【关键词】中阶梯光栅光谱仪;中阶梯光栅;光学设计;交叉色散【作者】唐玉国;宋楠;巴音贺希格;崔继承;陈今涌【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】TH744.11 引言普通闪耀光栅用于光谱仪器时，为了避免级次重叠只能使用低衍射级次（如－1级或－2级）。
碱金属对煤灰熔融特性的影响机理刘欢欢;杜梅芳;王要克;李明强【摘要】碱性矿物质是高碱煤灰沾污结渣的重要影响因素.本文首先通过影像式烧结点试验仪研究了一种准东高碱煤与四种非高碱煤灰的熔融特性,并利用电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP)、X射线衍射仪(XRD)对高碱煤灰熔融过程中元素迁移及矿物变化进行研究,在此基础上,进一步利用量子化学理论从微观层面分析了碱性矿物质降低高碱煤灰熔融温度的机理.结果表明:高碱煤比其他四种非高碱煤初始熔融温度低60℃到110℃;随着高碱煤制灰温度的升高,初始熔融温度也由700℃逐渐升高至770℃,初始熔融的量也随之降低,其沾污、结渣倾向减弱;灰中K2 SO4、NaAlSiO4参与灰中低温共熔体的生成,随着温度的升高其物相逐渐消失;灰中碱性矿物NaAlSi3 O8的相变活性位点优先受到灰中K+、M g2+、Na+、Ca2+等离子势较低的离子攻击,使其矿物体系中硅氧四面体[SiO4]4-与铝氧四面体[AlO4]5-分离成片段,进而发生分子段的重组,形成熔点更低的低温共熔体而增加灰中液相.【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2018(036)006【总页数】8页(P985-992)【关键词】高碱煤;熔融特性;量子化学;相变活性位点;低温共融【作者】刘欢欢;杜梅芳;王要克;李明强【作者单位】上海理工大学理学院,上海 200093;上海理工大学理学院,上海200093;上海理工大学理学院,上海 200093;上海理工大学环境与建筑学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TQ5341 前言我国新疆准东煤田已探明储量达2136亿吨，是中国乃至世界最大的整装煤田[1]。
然而该地区煤的原生矿物中含有大量的Na、K等碱金属元素[2]。
在燃用高碱煤过程中，其灰的沾污、结渣行为与常规动力用煤的沾污结渣行为有很大不同，导致新疆准东地区大多数燃煤电站锅炉均无法长期、稳定燃用该煤种，极大地增加了电站运行成本和能耗。
中阶梯光栅光谱仪原理
中阶梯光栅光谱仪是一种采用中阶次光栅作为光谱传感器的光谱仪，具有体积小、重量轻、成本低等优点，适合于野外和实验室使用。
当光束通过中阶次光栅时，衍射光形成以阶梯状的光栅为敏感元件的线阵列探测器。
由于光栅的光程不同，产生了不同波长的色散效应，从而形成了不同波长的线阵列探测器。
根据入射光束所经过的光栅数，可以计算出待测物体上反射波的波长。
通过对待测物体上反射波和透射波波长的测量，就可以获得待测物体的光谱特性。
中阶次光栅光谱仪具有如下特点：
1.它是一个线阵列传感器；
2.它具有简单、易读、易用等优点；
3.它是一个单级光谱仪，只有一个探测器。
中阶次光栅光谱仪利用了光线的干涉原理，即通过不同狭缝的光线具有不同波长；通过与一定波长相对应的光栅对，产生了干涉现象；在光谱探测器上可以显示出干涉条纹。
用光栅做光谱仪主要有以下几个优点：
1.它可以在同一系统中实现光谱测量、定位和定标；
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2.它能实现对目标物质的定量分析。
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3．阶梯光栅（echelon grating）：G. R. Harrison 于1949 年研制出一种新的衍射光栅--阶梯光栅(echelle) , 并对这种光栅的刻划技术做了开拓性的工作[1]。
阶梯光栅在光谱学的许多领域都是非常有用的, 特别是它集中了宽波段、高色散、高分辨率等特点, 引起了天文学家的极大兴趣, 率先得到天文应用[2]。
3.1阶梯光栅的结构及工作原理阶梯光栅是由许多平面平行厚玻璃板（厚度达1—2cm）组成的一段阶梯，组成阶梯的玻璃板厚度严格相等，折射率相同，并且每块玻璃板凸出的高度相等（0.1cm）。
由光栅的角色散公式可知, 如果用低级次光谱( 第1或第2 级) , 只有细刻线光栅才能获得高角色散; 如果用高级次光谱( 几十或上百级) , 则粗光栅同样可以获得高角色散。
为利用高级次光谱和大入射角而特殊设计的一种光栅——阶梯光栅。
阶梯光栅有反射式及透射式两种（如图1所示）。
a)透射型阶梯光栅b)反射型阶梯光栅图1 阶梯光栅的基本结构以透射型阶梯光栅为例，在衍射角θ不大的情况下，光栅方程为：（n-1）t+θd=mλ，式中，n是玻璃折射率，t是玻璃板厚度，d为阶梯高度。
3.2 阶梯光栅的特点：( 1) 每级都可以获得高的角色散;(2) 许多级次重叠在一起, 用横向色散元件将级次分离后得到二维光谱, 因此一次曝光可得很宽波长范围的光谱;( 3) 单个级次的色散角小, 一般只有几度,自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀峰值附近, 因此一个阶梯光栅对所有波长都是有效闪耀,阶梯光栅成为高效率闪耀光栅。
3.3阶梯光栅的应用：阶梯光栅用于高干涉级次, 有许多级次重叠在一起, 需用一个与阶梯光栅色散方向垂直的辅助色散元件将重叠的级次分开。
作为横向色散元件, 平面反射光栅和棱镜在阶梯光栅光谱仪中都有所应用, 相比之下平面反射光栅的优点在于可获得大的阶梯光栅级次分离,但缺点是低光效率和色散对波长的严重不均匀性, 二级光谱必须消除, 通常需要两块横向光栅分别工作在不同波段获得合适的横向色散。
制造光学光栅的历史光栅是光学光谱仪的心脏部分。
在过去的50年中，电子、软件及自动化都得到快速的发展，而光栅的改进却是滞缓而固难。
1949年George R Harrison在马省理工学院（MIT）发明了中阶梯光栅。
中阶梯光栅解决了一个在刻制光栅时所碰到的问题，即如何制止钻石工具的磨损问题。
即使光栅是刻制在相当柔软的材料，如铝、金和铜上，当在金属表面上精细地加工光栅时，这些金属也将很细微地磨损钻石工具。
钻石工具的磨损将导致整个光栅刻槽形状的改变，使其分辨率降低而杂散光增强。
我们可以设想一下，在一块面为50X100mm的空白光栅上，刻制每毫米为2400线的光栅，钻石工具将在表面材料上走动12000 m （相当7.5英里）。
为了获得优于2400条/mm刻线光栅的分辨率，同时降低钻石工具的走刀路程，Harrison设计了中阶梯光栅，中阶梯光栅每毫米仅为50条刻线，在相同的50X100mm的空白光栅上，钻石工具走动250m（相当820英尺）！今天，我们采用中阶梯光栅不但是因为减少了钻石刀头的磨损，而且是因为当它与棱镜交叉色散时可获得的高分辨率二维中阶梯光谱，该二维光谱与电荷转移阵列检测器（例如CID）实现最佳匹配。
原来的刻线机在二十世纪50年代，Jarrell-Ash公司（Thermo Elemental的前生）先后研制了两台机械光栅刻制机。
一号机具有可以在每英寸中刻制确切槽数的传动装置，而二号机可设定刻制每毫米特定的条数。
上述机械中的关键部件，诸如Nitr-合金（Nitralloy）的滑台导轨、导向螺杆以及导向螺杆传动装置，在其制造时是非常小心且费力地用手工研磨抛光而成，以获得最好精度。
60年代，二号机的精度由于增加了一个测量放置光栅胚模（Grating blank）滑台位置的干涉仪而大大提高。
其原理是通过传动装置的差异，干涉仪用作为反馈回路以校正导致螺杆的微小但必然存在的误差。
这两台仪器在其服务的三十年里作出了令人满意的贡献。
中阶梯光栅原理咱先得知道啥是光栅。
简单来说呢，光栅就像是一个有着好多好多小栏杆的东西，不过这些小栏杆是专门给光设置的。
光就像一群调皮的小娃娃，想要从这个有着小栏杆的地方跑过去。
中阶梯光栅呢，它可有点特别哦。
它的“阶梯”形状就像是给光娃娃们准备的特别跑道。
你看啊，光本来是一股脑地往前冲的，但是到了中阶梯光栅这儿，就像是到了一个有魔法的地方。
光其实是一种波，就像水波一样，有自己的起伏。
当光跑到中阶梯光栅上的时候，就会发生衍射。
这衍射是啥呢？就好比你往水里扔一块石头，会有一圈圈的涟漪。
光的衍射也是类似的，光在中阶梯光栅上就会散开，就像光娃娃们被这个特殊的“阶梯”给弄得分散开来了。
这个中阶梯光栅的“阶梯”设计得很巧妙哦。
它的阶梯高度和宽度都是经过精心安排的。
就像你搭积木，每一块积木的大小和形状都有它的道理。
中阶梯光栅的这些“阶梯”让不同颜色的光，也就是不同波长的光，能够在不同的角度散开。
比如说，红色的光可能就会跑到这个角度，蓝色的光又跑到另外一个角度。
这就像是把一群混在一起的小动物，按照它们的种类分别赶到不同的小角落一样。
而且呀，中阶梯光栅的分辨率还特别高呢。
这分辨率就像是我们眼睛看东西的清晰度。
中阶梯光栅能够把很接近的波长的光都分得清清楚楚。
就好比你能把长得很像的双胞胎都准确地分辨出来，这可太厉害了。
你想象一下，一束光就像一个五颜六色的大家庭，有红的、蓝的、绿的等等各种成员。
当它们进入中阶梯光栅这个神奇的地方后，就会被按照各自的特点，整整齐齐地分开。
红色的光在一个地方闪耀，蓝色的光在另一个地方闪烁，就像一场光的大派对，每个颜色的光都有自己的小舞台。
这中阶梯光栅在很多地方都超级有用呢。
比如说在光谱分析里，就像一个超级侦探。
它能通过分析光被分开后的情况，知道这个光原来来自什么样的物质。
就好像通过一个人的穿着打扮和行为举止，就能猜出他是从哪里来，是做什么的一样。
再比如说在一些光学仪器里，中阶梯光栅就像是一个精确的小管家。
