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中国创造典范:多光栅折叠光谱

导读: 多光栅折叠光谱仪采用了时间并联模式的快速光谱信号获取的新原理和方法,利用二维面阵探测器的优点,在一台光谱仪中,同时满足宽光谱区、高分辨率和快速测量的三项关键功能要求。

  2006年,国际两家光电子杂志LaserFocusWorld和PhotonicsSpectra的编辑曾分别主动在世界技术新闻专栏中特别介绍了复旦大学陈良尧教授课题组研发的多光栅二维折叠光谱技术,认为该技术的创新原理和方法将能够被拓广并应用于更具挑战性的高效率光谱获取和分析领域,以及推广到中远红外光谱分析领域。

  上海市计量测试技术研究院的资深光学科学家袁海林教授也曾评论到,“采用多光栅结构对成像光谱进行高密度折叠,在很宽的光谱区内实现高分辨率、快速和长时间可靠测量,将会成为现代光谱仪设计中一个主流技术和发展趋势”。

  究竟是怎样的技术让国内外一片赞誉之声?为了寻求答案,近日笔者采访了多光栅折叠光谱仪技术的研究者——复旦大学陈良尧教授。!

  “原理性创新”

  光谱分析仪器在科学研究和工业领域有着广泛的应用,为满足应用需求,国际上已经发展了各种类型的光谱分析原理和方法,其中最主要的是采用棱镜和光栅等光学色散元件,结合高灵敏度探测器对各种光谱(如反射、透射、吸收、散射、椭圆、荧光、拉曼等光谱)进行测量和分析。但受到光电探测器光谱响应、光栅色散和机械扫描等因素的制约,只能被迫在光谱工作区宽度、分辨率和速度等参数之间做出妥协,从而严重影响和限制了其在许多重要领域的应用。这是国际学术和产业界长期未能解决的瓶颈和难题。

  “传统的光栅光谱仪需要使用机械装置对色散元件进行位移和旋转,这将限制测量速度的提高,而且机械转动部件的定位精度低,可靠性差,容易在操作过程中发生故障;另外,由于国内机械加工水平所限,使得国产光栅光谱仪的机械部件精度和可靠性不高,从而影响了光谱仪的整体性能水平,”陈良尧说,“另外,一块光栅难以覆盖全光谱范围,衍射效率为非均匀性分布,在其光谱衍射工作区的两端效率较低,影响了仪器的信噪比质量。”

  在长期的光谱分析研究中,为克服传统仪器的这两方面局限性困难是陈良尧当初决定研发“多光栅折叠光谱分析仪”的原因,他希望能够研制出一种没有任何移动部件、光谱工作区宽、测量速度快的光谱仪。基于这一想法,陈良尧于90年代末开始“多光栅折叠光谱分析仪”的研制。“这是原理和方法的创新,并非是‘阳春白雪’,它的物理概念清楚,技术可靠,易于普及推广,只不过很多人没朝这方面去想。”

  但是,当前光谱仪技术可以说是非常成熟了,再要尝试原理性创新,可能并不像陈良尧说的那么容易。在10多年时间的持续研究努力中,陈良尧教授经历了很多,如最初虽有设想,但缺少研究经费支持,在市场上也买不到现成的关键元器件,业内对这类极具应用前景的新原理和新技术的认识也不统一等等。

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