基本信息
- 项目名称：
- 旋转狭缝波长扫描凹面光栅机构研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项研究研制了波长扫描凹面光栅机构，用于制造各种光学分析仪器。确定了直线位移与波长之间的关系。倒线色散率<10nm/mm。初始S=0， 角度45 º。 直线位移S与波长λ之间的关系[X= 1-（dλ）2]： S= WF=[140×Sqr（2）×dλ×Sqr(X)-10×Sqr（2）] / [1-2dλ2＋2×dλ×Sqr(X)]
- 详细介绍：
- 1 引言 波长扫描凹面光栅机构用于制造各种光学分析仪器。具有很好的应用前景。 2 实验部分 2.1 光路系统组成：五元素空心阴极灯(钙铜镁铁锌，北京曙光明电子光源仪器有限公司)、光源凹面反光镜(R=219)、火焰燃烧器、入缝凹面反光镜(R=158)、入缝(0.2 mm)、凹面光栅(罗兰圆直径224 mm，1200线/mm，光栅常数0.833333 μm)、1个出缝，1支R212侧窗光电倍增管、根据光栅方程Sin∠ABC=λd、凹面光栅的罗兰圆直径D=224.000 mm、光栅常数d=1200线数/mm、光栅与入射光垂直，入射角α=0º，锐线通过Rowland圆直径，色散角∠AEC =2×∠ABC，规定∠AEF=64º是复位角，用于调零,规定 AEG=20º是终止角，用于旋转架的旋转终止保护，旋转架的圆心与Rowland圆心一致，并以E为圆心，以EC长度112mm为半径旋转。R212光电倍增管D安装在旋转架上，出缝刻在R212保护套的柱面的C点。相对色散角是以EF为参照边的∠FEC, 相对旋转角是以EF为参照边角的∠FEC，∠FEC=64-2×∠ABC。狭缝推杆运动推动旋转狭缝架旋转，杆前端是滚动轴承，轴承外径20mm。 2.1.1 旋转狭缝设计：波长λ已知，色散角θ=∠ABC，令k=Sinθ，用光栅方程（1）表达 (1)k=dλ (2)d=1200/1000000,∠AEC=2θ，∵∠MQW=∠CEF=2θ, ∠WMQ=∠TPE=90º，∴△WMQ∽△TPE; ∵TE∥WN,MW∥EN, ∴EN=WQ; 在△WMQ 中，QW/Sin90º=MW/ Sin2θ, ∴WQ=10/ Sin2θ。 在△WNF中，∠WNF=2∠ABC=2θ,NF=70, ∠WFN=45º， WF/ Sin2θ=NF/ Sin(180º- 45º- 2θ) 即WF =（70 -10/ Sin2θ）/ Sin(180º- 45º- 2θ) k1=Cosθ = Sqr(1-k2)，k2= Sin2θ=2 k×k1， k3= Cos2θ= Sqr (1-k22) Sin(180º- 45º- 2θ)= Sin(45º+2θ)= Sin 45º Cos2θ+ Cos 45º Sin 2θ Sin(180º- 45º- 2θ)= Sqr(2)/2[1-2 Sin2θ+2 Sinθ×Sqr(1- Sin2θ)] WF=[（70 -10/ Sin2θ）× Sin2θ]/[2 Sqr(2) [1-2 Sin2θ+2 Sinθ×Sqr(1- Sin2θ)] X= 1-（dλ）2 即S= WF=[140×Sqr（2）×dλ×Sqr(X)-10×Sqr（2）] / [1-2dλ2＋2×dλ×Sqr(X)] （3） 脉冲总数P=2000×S/2 （4）脉冲总数P=1000×S 式(2)表达了狭缝推杆高S与波长λ之间的数学关系。狭缝推杆基准计算高度为0mm。 Tr10螺杆导程为2mm(2000微米), 细分数为10，脉冲角度是1.8度，旋转360°位移2mm, 则360°的脉冲总数P=360/（1.8/10）=2000，每个脉冲高度=2000/2000=1微米。用式(4)计算指定波长与脉冲总数P之间的关系式。 2.1.2 旋转狭缝的精度 dP/dλ=P’， dP/dλ=2000S’, S’=dS/dλ 表1 旋转狭缝的定位精度数据 Table 1 Fixed position data of the integral combination slit 元素 Elements 锐线波长 Sharp line (nm) 线色散率 Linear dispersion (mm/nm) 色散角∠ABC Dispersion angle 相对旋转角 钙Ca 422.67 0.1559 30.4778 3.0444 铜Cu 324.75 0.1459 22.9358 18.1284 镁Mg 285.21 0.1430 20.0141 23.9718 铁Fe 252.3 0.1410 17.6235 28.7530 锌Zn 213.86 0.1391 14.8703 34.2594 波长（nm） S(mm) 波长nm /微米 422.670 53.24840 0.01/(53.24981-53.24840)/1000=0.00709 422.680 53.24981 324.750 40.24940 0.01/(40.25069-40.24940)/1000=0.00775 324.760 40.25069 285.210 35.15385 0.01/(35.15514-35.15385)/1000=0.00775 285.220 35.15514 252.300 30.84284 0.01/(30.84417-30.84284)/1000=0.00751 252.310 30.84417 213.860 25.62876 0.01/(25.63015-25.62876)/1000=0.00719 213.870 25.63015
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目 的：研制凹面光栅的光谱扫描机械，用于制造各种光学分析仪器。 基本思路：凹面光栅作为色散元件，初始以45°角提供直线位移。导出波长与位移的关系式，实现高精度光谱扫描。 X= 1-（dλ）2 即S= WF=[140×Sqr（2）×dλ×Sqr(X)-10×Sqr（2）] / [1-2dλ2＋2×dλ×Sqr(X)] 创 新 点：导出波长与位移的关系式，实现高精度光谱扫描。 技术关键：初始以45°角提供直线位移。 主要技术指标：光谱定位精度0.01nm，单通道； 200至700nm,60秒，光谱定位精度0.01nm。 200至700nm,10秒，光谱定位精度0.1nm。
科学性、先进性
- 先进性在于光路简单：直线动动精度高。显著进步是实现直线运动长度与光波长关系的非线性关系的实现方法。优于正弦机构。光源凹面反光镜(R=219)、火焰燃烧器、入缝凹面反光镜(R=158)、入缝(0.2 mm)、凹面光栅1个出缝，1支R212侧窗光电倍增管、根据光栅方程Sin∠ABC=λd、凹面光栅的罗兰圆直径D=224.000 mm、光栅常数d=1200线数/mm、光栅与入射光垂直，入射角α=0º，锐线通过Rowland圆直径，色散角∠AEC =2×∠ABC，规定∠AEF=64º是复位角，用于调零,规定 AEG=20º是终止角，用于旋转架的旋转终止保护，旋转架的圆心与Rowland圆心一致，并以E为圆心，以EC长度112mm为半径旋转。R212光电倍增管D安装在旋转架上，出缝刻在R212保护套的柱面的C点。相对色散角是以EF为参照边的∠FEC, 相对旋转角是以EF为参照边角的∠FEC，∠FEC=64-2×∠ABC。狭缝推杆运动推动旋转狭缝架旋转，杆前端是滚动轴承，轴承外径20mm。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图纸、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点： 作品的科学性先进性在于光路简单：直线动动精度高。 突出的实质性技术特点和显著进步：直线运动长度与光波 长关系的非线性关系的实现方法。优于正弦机构。 适用范围及推广前景的技术性说明： 用于光谱分析仪制造，应用前景广阔。 及市场分析和经济效益预测：市场售价应在30元万以上，成批生产，年产值应在500万以上。
同类课题研究水平概述
- 本项研究是光谱扫描的新型机构设计，具有国际先进水平。 旋转狭缝设计：波长λ已知，色散角θ=∠ABC，令k=Sinθ，用光栅方程（1）表达 (1)k=dλ (2) d=1200/1000000,∠AEC=2θ,∵∠MQW=∠CEF=2θ, ∠WMQ=∠TPE=90º，∴△WMQ∽△TPE; ∵TE∥WN,MW∥EN, ∴EN=WQ; 在△WMQ 中，QW/Sin90º=MW/ Sin2θ, ∴WQ=10/ Sin2θ。 在△WNF中，∠WNF=2∠ABC=2θ,NF=70, ∠WFN= 45º， WF/ Sin2θ=NF/ Sin(180º- 45º- 2θ) 即WF =（70 -10/ Sin2θ）/ Sin(180º- 45º- 2θ) k1=Cosθ = Sqr(1-k2)，k2= Sin2θ=2 k×k1， k3= Cos2θ= Sqr (1-k22) Sin(180º- 45º- 2θ)= Sin(45º+2θ)= Sin 45º Cos2θ+ Cos 45º Sin 2θ Sin(180º- 45º- 2θ)= Sqr(2)/2[1-2 Sin2θ+2 Sinθ×Sqr(1- Sin2θ)] WF=[（70 -10/ Sin2θ）× Sin2θ]/[2 Sqr(2) [1-2 Sin2θ+2 Sinθ×Sqr(1- Sin2θ)] X= 1-（dλ）2 即S= WF=[140×Sqr（2）×dλ×Sqr(X)-10×Sqr（2）] / [1-2dλ2＋2×dλ×Sqr(X)] (3)脉冲总数P=2000×S/2 （4）脉冲总数P=1000×S 式(2)表达了狭缝推杆高S与波长λ之间的数学关系。狭缝推杆基准计算高度为0mm。 Tr10螺杆导程为2mm(2000微米), 细分数为10，脉冲角度是1.8度，旋转360°位移2mm, 则360°的脉冲总数P=360/（1.8/10）=2000，每个脉冲高度=2000/2000=1微米。用式(4)计算指定波长与脉冲总数P之间的关系式 旋转狭缝的精度 dP/dλ=P’， dP/dλ=2000S’, S’=dS/dλ
