一种紫外光谱测量的微型光纤光栅光谱仪设计

　　0　引　言

　　探测器阵列的出现给光学仪器的发展带来了巨大的革命,促进了空间光学,等离子体物理,地面和空间遥感, X射线激光及时间分辨光谱学等前沿科学和高技术的发展.在光谱仪器领域最具特色的是平焦场多通道光谱仪和成像光谱仪的诞生和高速发展,同时,探测器阵列的高度集成特点也使仪器的微型化成为可能.目前,用于医疗鉴别,生物监测,化学分析等领域的微型掌上多通道光谱分析仪成为光谱分析领域的热点[1～3].在遥感领域,小型化多通道光谱仪也将成为下一代光谱遥感仪器的重点研究目标,采用线阵探测器阵列方式光谱仪为全固态安装,没有机械传动,延长了使用寿命;减小传统倍增管探测方式仪器的体积,提高了定位精度[4].在弱光探测领域,可采用光电阴极+微型多通道板(MCP)+荧光粉+CCD方式,即所谓的像增强器方式来弥补增益的不足.

　　本文设计了采用C-T正交方式的微型多通道光谱仪,为增加紫外波段的光谱响应,反射元件表面,平面衍射光栅表面镀AL+MgF2膜.谱仪的任务是观测太阳紫外光谱的细节,探测器采用了日本滨松的光电二极管阵列.该探测器有高的势阱深度,可达到8 000∶1的信噪比.适合强光条件下吸收光谱探测.

　　1　实验装置

　　1.1　仪器光路及结构

　　光线通过引导光纤,入射狭缝S1进入仪器投射到准直镜M1上,使光线投射到光栅G上,光栅衍射后的光线经过聚光镜M2会聚到探测器光敏面上.多色仪采用的是正交排列的C-T变形结构,这种结构比较容易通过内部光栏来抑制杂散光,避免从入缝看见第二反射镜面,而且便于光路装调.聚物镜到谱面中心距离为80 mm,光栅常数为600线/mm.光栅和两反射镜均采用玻璃溅射铝膜后镀MgF2膜而成.对200 nm～450 nm太阳紫外/大气光谱有好于90%的反射率.光纤采用美国OCEANOPTICS公司的P-200 UV-VIS光纤.光纤芯径0.2 mm,入射狭缝0.1 mm,分辨率为0.5 nm,色散为0.3nm/pixel.

　　1.2　系统的软硬件设计

　　探测器采用日本滨松的S3924-1024Q,为提高系统稳定性,适应外空间低温度,高辐射环境,探测器的驱动、信号放大、数据采集电路均自行设计,不再使用滨松的C7885驱动电路,根据外空间太阳光谱实际数据和探测器性能计算,积分时间可从100 ms～60 s,而采样频率可最低降至10 KB.在积分时间允许范围内,低一些的信号读出速率可降低读出噪声(readout noise)[5].电路分两部分:①探测器驱动和数据采集;②MCU控制,数据存储和通信.探测器驱动电路原理图,如图2所示.

　　二极管阵列驱动的核心元件是一片ALTERA公司MAX7000系列的CPLD(EPM7032),通过其内部可编程逻辑电路实现阵列探测器的P1, P2, RESET等时序信号驱动(如图3所示),驱动脉冲边沿与外部时钟信号(CLK)同步.而积分脉冲通过MCU定时器定时改变特定引脚电平状态触发CPLD,使其输出与CLK时钟同步的开始信号积分的脉冲.信号放大设计为正比例10倍放大. A/D采用TI的5 V电源16 b分辨率ADS7823. A/D转换信号和PRESET同步,由CPLD触发.转换完成后A/D转换器通过BUSY脚引发MCU中断通知MCU接收数据.MCU单元采用AT89S51工业级芯片,采用CYPRESS CY7C199存储数据. MCU的主要功能为:①通过RS232与主机通信并向主机传输数据;②通过定时器中断定时发送积分脉冲至CPLD;③响应ADS8323中断,并读取数据.