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MEMS可编程光栅及其在气体监测中的应用研究

作　者: 安飞
导　师: 苑伟政
学　校: 西北工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 可编程光栅衍射光栅微机电系统光谱模拟相关光谱法
分类号: X831
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 123次
引　用: 2次
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内容摘要

MEMS发展的一个重要趋势是将微机电系统与光学系统相结合，那就是微光机电系统(Micro-opto-electro-mechanical Systems，MOEMS)，也称为Optical MEMS。衍射式MOEMS器件利用光学衍射原理可以对光波信号进行各种调制处理，如光能量的重新分布、方向等调制。微型可编程光栅作为一种典型的衍射式MOEMS器件，它能够实时改变自身的光学结构参数，对入射光进行相位调制，具有很大的灵活性和广阔的应用前景。本文以微型可编程光栅为研究对象，构造了可编程光栅的光学理论模型，研究了影响其衍射的主要结构及光场参数，对可编程光栅的光谱模拟特性以及其在气体遥监测中的应用展开了研究。论文的主要研究内容包括：首先，从波动光学及经典几何光学的光程差理论出发构造了可编程光栅的光学模型，对其进行了理论分析，得到了可编程相位光栅的衍射光强分布公式，并利用数学方法对其进行了计算仿真，研究了可编程光栅的基本结构参数及光场参数对其衍射的影响。仿真结果表明与普通光栅相比，可编程相位光栅具有独特的能量再分布能力，这对光谱分析是十分有利的。其次，对可编程光栅在“完全编程”状态下的衍射场进行了理论分析，在此基础上，得出了可编程光栅光谱模拟特性的原理，给出了光谱模拟的实现方法并对其进行了数值仿真。仿真结果表明，可以通过一定的算法来确定光栅微梁高度，从而实现目标物质衍射光强谱图的模拟。最后，研究了基于光谱学的光谱吸收式气体遥监测技术的原理以及其常用方法和特点，分析了相关光谱气体遥监测技术的原理及其传统方法应用的局限性。研究了可编程光栅光谱模拟特性在相关光谱气体遥监测技术中的应用。研究结果表明，将微型可编程光栅可模拟目标物质衍射光谱的特性与相关光谱法结合可应用于气体监测，并且能够带来许多传统方法无法比拟的优点。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-19
  1.1 衍射光栅发展概述  8-9
  1.2 基于 MEMS的微型可编程光栅  9-10
  1.3 MEMS微型可编程光栅的国内外发展现状  10-14
  1.4 基于光学和光谱学的气体监测技术  14-17
    1.4.1 气体监测的现实意义  14
    1.4.2 气体监测的基本方法与现状  14-15
    1.4.3 MEMS微型可编程光栅与相关光谱法  15-17
  1.5 本文研究目的与研究内容  17-19
第二章 MEMS微型可编程光栅光学理论特性分析  19-32
  2.1 MEMS微型可编程光栅的工作原理  19-21
  2.2 MEMS微型可编程光栅的衍射分析  21-31
    2.2.1 传统平面反射式衍射光栅的衍射定律  21-23
    2.2.2 用波动光学理论分析微型可编程光栅的衍射  23-27
    2.2.3 几何光学光程差理论分析可编程光栅的衍射  27-31
  2.3 本章小结  31-32
第三章可编程光栅基本光学特性仿真  32-48
  3.1 光栅基本特性及参数  32-34
  3.2 光栅结构参数对其光学特性的影响  34-43
    3.2.1 相邻高度差对不同衍射级次相对光强的影响  35-38
    3.2.2 衍射单元数对色散及色分辨的影响  38-40
    3.2.3 光栅周期对衍射角的影响  40-42
    3.2.4 梁间隙对相对光强与衍射角的影响  42-43
  3.3 入射参数对其光学特性的影响  43-47
    3.3.1 入射光波长对半角宽度的影响  43-44
    3.3.2 入射角对衍射角的影响  44-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章可编程光栅的光谱模拟特性  48-55
  4.1 微型可编程光栅结构与衍射原理  48-49
    4.1.1 微型可编程光栅“可编程”的定义  48-49
  4.2 微型可编程光栅光谱模拟特性  49-53
    4.2.1 “完全编程”时可编程光栅衍射光强公式  49-50
    4.2.2 可编程光栅实现特征光谱模拟的原理  50
    4.2.3 实现特征光谱模拟的方法  50-52
    4.2.4 光谱模拟仿真  52-53
  4.3 本章小结  53-55
第五章可编程光栅在气体遥监测技术中的应用研究  55-68
  5.1 基于光谱学的遥测原理  55-56
  5.2 常用的光谱吸收式气体遥监测方法  56-61
    5.2.1 傅氏变换红外光谱吸收技术(FTIR)  56-58
    5.2.2 差分光学吸收光谱技术(DOAS)  58-60
    5.2.3 激光长程吸收  60-61
  5.3 相关光谱技术  61-65
    5.3.1 相关检测原理  62-63
    5.3.2 相关光谱气体遥监测技术  63-65
  5.4 微型可编程光栅在相关光谱技术中的应用  65-67
  5.5 本章小结  67-68
总结与展望  68-70
  总结  68
  展望  68-70
参考文献  70-74
研究生期间发表的论文  74-75
致谢  75-76

MEMS可编程光栅及其在气体监测中的应用研究

内容摘要

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