提出了单色仪在光纤传感系统中的应用, 通过分析Ⅳ型凹面全息光栅的光程函数、像差校正原理和像差校正效果, 以光栅为分光元件, 设计了一种小型凹面光栅单色仪。单色仪使用自聚焦透镜作为入射狭缝和准直元件, PIN光电二极管作为接收元件, 使用步进电机带动凹面光栅旋转扫描光谱。LabVIEW程序控制数据采集卡的数字输出, 并显示采集到的光谱。单色仪结构简单、价格低廉, 通过实验实现了对单色光的检测。

随着户外物性分析实验的日渐增多，开发轻小型、便携式，且响应波段范围宽的光谱仪器的需求越来越迫切。根据凹面全息光栅均方根优化理论，设计了一款轻小型宽波段单色仪。该单色仪主要由三块IV型凹面全息光栅和上下两层可旋转的平台组成，三块光栅对称地固定于上层平台上，由一台步进电机带动上层平台旋转实现光栅之间的切换，另一台步进电机带动下层平台旋转实现单块光栅的扫描。三块光栅的响应波长范围分别为400~1000，1000~1700和1700~2500 nm，其理论分辨极限分别优于2.5，2.8和4.0 nm。并对三块光栅的制作误差和双层平台结构误差进行了分析，结果表明，在能够保证的误差范围内，该单色仪的光谱质量可以较好地满足户外光谱分析的要求。

凹面全息光栅是光谱分析仪器的核心器件之一， 其成像质量直接决定了光谱分析仪器的分辨本领。 利用光程函数理论设计凹面全息光栅是一个繁琐的求解非线性方程组的过程， 该过程分两步进行， 每步需要求解四个非线性方程。 分两步求解不但过程麻烦， 还不可避免地引入了取舍误差， 降低了最优参数的精度。 为了解决该问题， 本文提出了一种设计单色仪凹面全息光栅的新方法——一步法， 该方法不但可以简化求解过程、 降低最优参数的误差， 还可以方便地控制整体像差的变化趋势。 采用有较强全局搜索能力的遗传算法求解该方法中非线性方程的极值问题， 并与传统的方法对比验证了该方法的可行性和正确性， 结果表明， 一步法不但在方法上比两步法简便， 其设计结果还优于两步法。

在Ⅳ型凹面全息光栅制作和使用过程中，各参数误差会影响其光谱性能。光栅均方根法优化函数表达式复杂且不能给出光谱的带宽。由费马原理推导出一种数值处理较为简单且能直接描述光谱带宽的光栅优化函数平方和法优化函数，验证了该函数的正确性。采用该函数对Ⅳ型凹面全息光栅使用参数和记录参数在参考平面内外的误差对光谱性能的影响及补偿做了定量分析，结果表明，Ⅳ型凹面全息光栅一个使用参数或记录参数在参考平面内的误差可通过分别调节其他使用参数或记录参数进行补偿，且当记录参数的误差不改变光栅常数时，可以通过调节使用参数对其进行补偿；而光栅记录参数在参考平面外的误差只能通过调节记录参数与参考平面的距离进行补偿。