第35卷，第5期 2015年5月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
带有实时温度补偿功能的微型光谱仪研制
宝剑光，刘正坤*，陈火耀：林继平，付绍军中国科学技术大学，国家同步辐射实验室，安徽合肥230029
Vol.35,No.5-pp1409-1413
May,2015
对航空领域中变栅距光栅位移传感器的解调系统研制了一种具有实时温度补偿功能的微型光纤光谱仪。为了实现实时温度补偿，分析了温度变化对微型光谱仪的影响，并对传统的交叉式Czerny-Turner光路进行了优化，用ZEMAX软件模拟得到：在相同的受热产生的变形条件下，优化的C-T光路光谱漂移量相比优化前的更小且整体漂移线性度更好。在此基础上提出了一种引人参考光来实现实时温度补偿的方法，并最终基于改进的C-T光路制作广一个体积为80mm×70mm×70mm、T作波段在5001000nm、积分时间为8 ms～1000ms、光学分辨率约为2nm的微型光纤光谱仪，用实验验证了优化的C-T光路的光谱温度漂移情况及温度补偿方案的可行性。实验结果表明在近60℃范围内的温度冲击下，研制的微型光谱仪能够达到波长标准误差小于0.1nm，波长最大误差小于传感器系统所要求的0.3nm，满足初始的设计要求。该微型光谱仪的创新之处在于采用了优化的交叉式C-T光路作为色散系统且基于引入参考光的方法实现了实时温度补偿功能，
关键词微型光纤光谱仪；温度补偿；交叉Czerny-Turner光路；光谱整体漂移
中图分类号：0436；TH7文献标识码：A
引言
近年来，基于交叉式Czerny-Turner(C-T)结构的光纤光谱仪由于其结构简单、性能可靠、能进行多组分检测且具有高灵敏度等优点，逐渐成为人们关注和研究的焦点-3。特别是对于航空领域，在光传飞控系统替代电传飞控系统成为必然趋势的背景下，需要大量高性能微型光谱仪完成各类光学传感器的解调工作。在飞机上，用于解调变栅距（variable line-spacegrating，VLS光栅位移传感器的微型光谱仪将不可避免的受到强烈的温度冲击，所以在极其恶劣的温度环境下微型光谱仪能否正常工作是至关重要的[-6]。对于工作在恶劣温度环境下的光谱仪器，经过优化的热设计能保证仪器的温度水平和温度分布维持在一定的范围内，满足光学元件及光机结构尺寸稳定性的要求，但温度变化导致的光谱曲线漂移仍然严重影响着微型光谱仪的光谱测量精度7。
针对航空领域中VLS光栅位移传感器的解调系统研制广一种微型光纤光谱仪。VLS光栅位移传感器是飞机上光传飞控系统的重要组成部分，其工作稳定性对整个系统有着重
收稿日期：2014-03-04，修订日期：2014-06-25
DOI:10. 3964/j. issn. 1000-0593(2015)05-1409-05
要的意义*}。虽然VLS光栅位移传感器本身有着很好的性能和不错的抗温度冲击能力，但是现有的微型光谱仪无法满足传感器系统所提出的在一55～十70℃的高低温冲击下输出波长误差不大于0.3nm的要求（小于传感器工作带宽300 nm的1%o)。针对此间题，研究并设计了具有实时温度补偿功能的微型光纤光谱仪。为了实现实时温度补偿，我们对原有的交叉式C-T光路进行优化，提出广一种改进型C-T光路，给出了改进型C-T光路和传统C-T光路(图1)的对比分析。并制作出了基于改进型光路的微型光纤光谱仪，用实验验证了改进型C-T光路的光谱温度漂移情况及温度补偿方案的可行性。
温度对微型光谱仪的光谱曲线影响分析温度变化对光谱曲线漂移的影响主要表现在其对光机结
构稳定性的影响上。由于成本和便提性的原因，自前很多微型光纤光谱仪的机械结构所选用的材料是热膨胀系数较大的金属材料，所以由于材料的热变形，温度变化时光谱仪内部光学元件位置将产生偏移。文献8，9通过光-机-热集成模
基金项目：申航工业技术创新基金项目（2009D61864)和青年科学基金项目(11105145)资助
作者简介：宝剑光，1989年生，中国科学技术大学国家同步辐射实验室硕士研究生e-mail：kobe824@mail.ustc,edu.en
*通讯联系人e-mail：zhkliu@ustc.edu.en