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Design and Measurability Study of Wavelength Calibration Devices for Grating Monochromators
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摘要: 针对基于连续光谱光源和傅里叶变换光谱仪的光栅单色仪波长校准装置开展计量需求分析，梳理并提取了波长示值误差、光谱带宽、波长重复性等作为实现可计量性的参数。开展可计量性设计，着重介绍了波长示值误差的测量方法、溯源途径、光机接口等可计量性设计的核心要素，通过实验进行可计量性设计的验证。按照该装置的全寿命流程开展可计量性设计，通过多个利益攸关方的视角进行各个场景下的深入分析。可计量性研究确保计量仪器的各项需求都经过了完整的考虑与准备，对各项潜在问题进行先后排序后，引导逐项实施落实，从而可以避免项目推进过程中出现的管理死角，提升计量装置研制项目的成功概率。Abstract: This paper presents a comprehensive measurability analysis for grating monochromator wavelength calibration devices based on continuous spectrum light sources and Fourier Transform Spectrometers (FTS). The study identifies and extracts critical parameters such as wavelength indication error, spectral bandwidth, and wavelength repeatability for achieving measurability. The research delves into the metrological design, emphasizing the measurement methodologies for wavelength indication error, the routes for traceability, and the interface dynamics between optics and mechanics. The veracity of the proposed metrological design is tested through a series of experiments. The study adopts a life-cycle approach for the device's measurability design, analyzing from the vantage points of multiple stakeholders and under varied scenarios. The overarching goal of this research is to ensure that all requirements for measurement instruments are meticulously addressed. By sequentially addressing potential pitfalls, this study aims to mitigate management oversights during the project's progression, thereby enhancing the likelihood of success for the measurement device's development.
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Key words:
- metrology /
- wavelength indication error /
- monochromator /
- measurability design /
- sensor calibration.
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图 3 单色仪校准装置的两个场景下计量方案示意图
Figure 3. Schematic of measurement strategies for two scenarios in the monochromator calibration setup
表 1 光栅单色仪校准装置计量需求确认表
Table 1. Metrological requirements confirmation for the grating monochromator calibration device
场景 利益攸关方 捕获参数 测量范围 最大允许误差 最大计量间隔 测量条件 测量位置 测量方式 定期校准 检定员 波长示值误差 365～1013 nm ±0.5 m 12个月 实验室环境 稳频激光器汞灯 离线 定期校准 检定员 光谱带宽 ±10 nm ±20% 12个月 实验室环境 稳频激光器 离线 定期校准 检定员 波长重复性 ±10 nm ≤0.2 nm 12个月 实验室环境 稳频激光器 离线 定期校准 检定员 光谱测量 范围 覆盖340～900 nm 5 nm 12个月 实验室环境 氙灯 自校 日常使用 装置使用方 波长示值误差 − ±0.5 nm 3个月 实验室环境 汞灯 原位 日常使用 装置使用方 光谱带宽 − ±20% 3个月 实验室环境 汞灯 原位 日常使用 装置使用方 波长重复性 − ≤0.2 nm 3个月 实验室环境 汞灯 原位 日常使用 装置使用方 光谱测量 范围 覆盖340～900 nm 5 nm 3个月 实验室环境 氙灯 自校 
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表 2 光栅单色仪校准装置计量参数需求打分表
Table 2. Grading sheet for metrological parameters of the grating monochromator calibration setup
场景 捕获参数 S O D 总分 参数级别 定期校准 波长示值误差 5 4 4 80 关键 定期校准 光谱带宽 4 3 4 48 重要 定期校准 波长重复性 4 3 3 36 一般 定期校准 光谱测量范围 5 3 3 45 重要 日常使用 波长示值误差 5 3 4 60 关键 日常使用 光谱带宽 4 3 4 48 重要 日常使用 波长重复性 4 3 3 36 一般 日常使用 光谱测量范围 5 3 3 45 重要
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表 3 两个场景下波长示值误差参数的可计量性设计表
Table 3. Measurability design table for wavelength indication errors in two scenarios
计量场景 定期校准 日常使用 参数名称 波长示值误差 波长示值误差 数据格式 csv/xlsx csv/xlsx 溯源链 波长标准 波长标准 标准器 稳频激光器，汞灯 汞灯 硬件接口 无 无 测量范围 365 ~1013nm 365~1013nm 不确定度 0.15nm(k=2) 0.15nm(k=2) 校准周期 12个月 3个月 测量环境 光学暗室
23℃±5℃、RH≤80%光学实验室
23℃±5℃、RH≤80%符合性设计 符合 符合 计量场景 定期校准 日常使用
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表 4 波长示值误差参数的计量保障规划表
Table 4. Metrological assurance plan for wavelength indication error
标准器 稳频激光器 汞灯 参数名称 波长示值误差 波长示值误差 测量范围要求 532 nm、632 nm、1064 nm 365nm ~1013nm 不确定度要求 0.15 nm (k=2) 0.15 nm (k=2) 品牌 长光所 中国计量院 型号 LR-532, LR-632, LR-1064 NIM-Hg 实际测量范围 530 nm、632 nm、1064 nm 365～1013 nm 实际不确定度 0.002 nm (k=2) - 符合性评判 符合 符合
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表 5 激光器校准波长偏差
Table 5. Laser calibration wavelength deviation
/nm 序号 激光器波长 测量值 波长偏差 1 530.649 530.647 −0.002 2 632.817 632.809 −0.008 3 1063.854 1063.858 0.004
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表 6 低压汞灯校准波长示值误差
Table 6. Indication error for low-pressure mercury lamp wavelength calibration
/nm 序号 标准值 测量值 波长示值误差 1 365.016 365.015 0.001 2 404.656 404.656 0.000 3 435.833 435.833 0.000 4 546.074 546.075 0.001 5 576.96 576.960 0.000 6 579.066 579.067 0.001 7 763.511 763.510 -0.001 8 811.531 811.531 0.000 9 912.297 912.298 0.001 10 965.779 965.780 0.001 11 1013.976 1013.977 0.001
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表 7 不确定度合成与扩展
Table 7. Uncertainty synthesis and extension
/nm 不确定度分量名称 不确定度 稳频激光器标称值 0.001 波长示值误差 0.0006 波长重复性 0.0008 长期稳定性 0.0043 标准合成不确定度 0.0045 扩展不确定度（k=2） 0.0091
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