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中阶梯光栅光谱仪,以中阶梯光栅为主色散元件，配合低色散元件进行交叉色散，采用面阵探测器进行接收，在像面上形成二维光谱图像。与传统光栅光谱仪相比，中阶梯光栅光谱仪具有高色散、高分辨率、宽波段、高能量输出的特点。 在电感耦合等离子体原子发射光谱分析(ICP-AES)技术以及激光诱导等离子体光谱分析(LIBS)技术中具有重要应用。
检验设备为中阶梯光栅光谱仪研发工程样机一台，主用作激光诱导等离子体的原子发射光谱分析。主应用于基于激光诱导等离子体光谱技术（LIPS）的钢水元素成分在线检测系统。
LIPS时序控制模块触发其它模块产生LIPS光谱信号并由光纤引入中阶梯光谱仪后，其发出光谱采集信号经触发信号接口电路接收后触发ICCD、嵌入式模块接收光谱信息并进行去噪、谱图还原等数据处理后将结果输出给外部软件。
图3 光谱预处理子系统基本工作原理
如图主要由入射针孔，准直镜，中阶梯光栅，反射棱镜，聚焦镜和ICCD组成。导入的等离子体光谱经入射针孔和准直镜，得到平行光束在中阶梯光栅上进行主方向色散，再经棱镜交叉色散，被分解为二维光谱，按波长与级次的顺序由聚焦镜聚焦在ICCD平面上，将光谱仪一次曝光中获得的宽波段范围的光谱信号完全接收。
图4 光学分光子系统基本工作原理
样机子系统 |
组成部件 |
功能 |
光学分光系统 |
入射系统 |
将光纤传导的光以限定的数值孔径引入光谱仪 |
准直镜 |
将入射系统引入的发散光变为平行光 |
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中阶梯光栅 |
按光栅方程在主色散方向将不同波长的光色散 |
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棱镜 |
按折射率公式在横向色散方向将不同波长的光色散 |
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聚焦镜 |
将平行光汇聚成像到探测器 |
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柱面镜 |
修正象散，使探测器上按波长成像的光斑所占面积更小 |
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光谱信息预处理系统 |
探测器ICCD相机 |
采集光斑的成像位置和强度（Andor：iStar334T-18 -H83） |
其他 |
制冷模块 |
保证光谱仪内室温度在工作温度范围内 |
机械部件 |
各元部件的支撑传动机械机构 |
尺寸 |
约78（D）*35（W）*18.8（H）cm； |
重量 |
40kg左右 |
外部触发接口 |
SMA接口 |
数据传输接口 |
USB 2.0 |
触发方式 |
TTL电平触发，上升、下降沿<10ns,驱动电流>20mA； |
电源接口 |
AC220V，2相3线制，峰值≦150w,50HZ |
焦距 |
262nm |
数值孔径 |
f/7 |
光谱分辨率 |
0.02nm@200nm |
波长准确度 |
±0.01nm |
光谱范围 |
190nm~600nm |
工作温度 |
10℃~50℃ |
散热方式 |
水冷 |
外部触发信号时序精度 |
<10ns； |
ICCD |
1024*1024，像元尺寸13μm |