中階梯光柵光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)

中階梯光柵光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)唐玉國(guó);宋楠;巴音賀希格;崔繼承;陳今涌【摘要】為了在更寬波段范圍內(nèi)獲得較高的分辨率,實(shí)現(xiàn)全譜直讀，對(duì)中階梯光柵光譜儀進(jìn)行了研究.簡(jiǎn)述了中階梯光柵及中階梯光柵光譜儀的基本原理，分析并比較了這種光譜儀與普通平面閃耀光柵光譜儀的區(qū)別.利用光學(xué)成像原理與消像差理論設(shè)計(jì)了Czerney-Turner結(jié)構(gòu)形式的中型高分辨率中階梯光柵光譜儀原理樣機(jī)的光學(xué)系統(tǒng).該光學(xué)系統(tǒng)工作在原子譜線最為密集的200-500nm波長(zhǎng)處;為簡(jiǎn)化計(jì)算，在設(shè)計(jì)中消除了350nm波長(zhǎng)的所有像差;光線對(duì)中階梯光柵在準(zhǔn)Littrow條件下入射，以獲得高衍射效率;使用折反射棱鏡作為交叉色散元件來(lái)分離重疊的級(jí)次，在CCD探測(cè)器上獲得了二維光譜面.該光學(xué)系統(tǒng)有較好的平場(chǎng)特性及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)成像能力,在整個(gè)工作波長(zhǎng)分辨率可達(dá)到2000~15000,滿足設(shè)計(jì)要求.該儀器可用于原子發(fā)射和吸收光譜的研究工作，通過(guò)替換不同的探測(cè)器及增加外圍電路與軟件平臺(tái)，儀器的工作性能可進(jìn)一步提高.【期刊名稱】《光學(xué)精密工程》【年(卷)，期】2010(018)009【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)(P1989-1995)【關(guān)鍵詞】中階梯光柵光譜儀;中階梯光柵;光學(xué)設(shè)計(jì);交叉色散【作者】唐玉國(guó);宋楠;巴音賀希格;崔繼承;陳今涌【作者單位】中國(guó)科學(xué)院，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林，長(zhǎng)春,130033;中國(guó)科學(xué)院，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林，長(zhǎng)春,130033;中國(guó)科學(xué)院，研究生院，北京,100039;中國(guó)科學(xué)院，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林，長(zhǎng)春,130033;中國(guó)科學(xué)院，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林，長(zhǎng)春,130033；中國(guó)科學(xué)院，研究生院,北京,100039;中國(guó)科學(xué)院，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林，長(zhǎng)春,130033【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TH744.11引言普通閃耀光柵用于光譜儀器時(shí)，為了避免級(jí)次重疊只能使用低衍射級(jí)次（如-1級(jí)或-2級(jí)）。若要實(shí)現(xiàn)光譜儀器高的色散率和光譜分辨率，就需要采用高刻線密度閃耀光柵，加大成像物鏡焦距，但由此會(huì)加大儀器體積［1］。在當(dāng)今科學(xué)儀器普遍向微小化、便攜式和實(shí)時(shí)測(cè)量方向發(fā)展的形勢(shì)下，光譜儀器的小型化、高分辨率、快速測(cè)量及信號(hào)接收方式等是儀器設(shè)計(jì)者必須考慮的問(wèn)題。中階梯光柵是由美國(guó)光柵專家G.R.Harrison于1949年提出的一種特殊光柵，其刻線密度較低，具有大入射角度和高衍射級(jí)次（如幾十級(jí)到幾百級(jí)），因而有很高的色散率和分辨率。中階梯光柵光譜儀在結(jié)構(gòu)方面具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)移動(dòng)部件，面陣接收的特點(diǎn)；在性能方面具有高色散、高分辨率、低檢出限、寬波段、全波閃耀和瞬態(tài)光譜的特點(diǎn)；有利于實(shí)現(xiàn)高度智能化和自動(dòng)化［2-3］,代表了先進(jìn)光譜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。中階梯光柵光譜儀在20世紀(jì)70年代開始在天文領(lǐng)域率先得到應(yīng)用。到80年代，隨著光柵刻劃技術(shù)的發(fā)展，世界上許多2~4m級(jí)天文望遠(yuǎn)鏡都配備了中階梯光柵光譜儀；至20世紀(jì)末，全世界已有10架配備了高分辨率中階梯光柵光譜儀的8~10m級(jí)光學(xué)/紅外天文望遠(yuǎn)鏡投入使用。除天文應(yīng)用之外，從90年代開始，隨著二維陣列探測(cè)器技術(shù)，尤其是CCD技術(shù)的發(fā)展，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家開始將中階梯光柵光譜儀應(yīng)用于天文、地礦、化工、冶金、醫(yī)藥、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生、生化、商檢和國(guó)防等諸多領(lǐng)域［4］。我國(guó)于1995年研制成功了2.16m望遠(yuǎn)鏡折軸階梯分光儀，該儀器是我國(guó)首次研制的大型中階梯光柵光譜儀器，配備于北京天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地2.16m望遠(yuǎn)鏡，為我國(guó)天文界開展高分辨率光譜研究提供了有效的手段。但是，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，光學(xué)裝調(diào)難度大，成本高，尚無(wú)法進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域。在民用方面，國(guó)內(nèi)對(duì)中階梯光柵光譜儀器的研究、開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)滯后。近幾年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所在中小型中階梯光柵光譜儀的研發(fā)和產(chǎn)品化方面做了一些工作。本文就小型化中階梯光柵光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬與性能分析，建立了滿足設(shè)計(jì)要求的光學(xué)模型，為中階梯光柵光譜儀的研制提供了理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)參考。2中階梯光柵光譜儀工作原理中階梯光柵光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由入射針孔、準(zhǔn)直鏡、中階梯光柵、反射棱鏡、聚焦鏡和面陣CCD組成，光學(xué)系統(tǒng)采用Czerney-Turner（C-T）結(jié)構(gòu)形式，是最廣泛應(yīng)用的單色器結(jié)構(gòu)形式之一。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)移動(dòng)部件，光學(xué)器件少，入射光和出射光夾角為定值，有利于后端調(diào)試和標(biāo)定，并且通過(guò)調(diào)整各部件的相對(duì)位置，可以有效控制像差及獲得二維平像場(chǎng)。C-T結(jié)構(gòu)有U型和Z型（交叉束）兩種形式。交叉束結(jié)構(gòu)有利于縮小儀器體積，降低雜散光，但是，在消除像差方面不如U型結(jié)構(gòu)有利［5］，因此，本文選擇了U型C-T結(jié)構(gòu)形式。圖1中階梯光柵光譜儀基本結(jié)構(gòu)Fig.1Basicstructureofechellespectrograph由光源經(jīng)針孔和準(zhǔn)直鏡得到的平行光束入射到中階梯光柵上進(jìn)行主方向色散；由于采用了高衍射級(jí)次的中階梯光柵，其衍射譜存在嚴(yán)重的級(jí)次重疊，因此需要用一低色散元件（棱鏡或平面光柵）將重疊在一起的各級(jí)次光譜分離開來(lái)，即進(jìn)行交叉色散（相對(duì)于中階梯光柵的色散方向或被稱為橫向色散），使入射單束光分解為二維光譜，按波長(zhǎng)與級(jí)次的順序由聚焦鏡聚焦在CCD平面上。由于面陣CCD的像素?cái)?shù)遠(yuǎn)大于線陣CCD的像素?cái)?shù)，因此，中階梯光柵光譜儀可以在一次曝光中獲得很寬波段的光譜信號(hào)。3光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制的中階梯光柵光譜儀采用中階梯光柵/棱鏡交叉色散系統(tǒng)，工作波長(zhǎng)為200~500nm，中階梯光柵刻線密度為54.49g/mm，分辨率為2000~15000。中階梯光柵光譜儀的主要色散元件是中階梯光柵和色散棱鏡，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互垂直垂直方向的色散，同時(shí)使用曲率半徑相同的離軸拋物鏡作為準(zhǔn)直鏡和成像物鏡，使各波段的光譜成像在面陣CCD上。3.1中階梯光柵中心波長(zhǎng)和閃耀級(jí)次的確定將經(jīng)過(guò)中階梯光柵刻槽斷面上一點(diǎn)的刻槽斜面與光柵決定的平面定義為中階梯光柵的法面。若入射光位于法面內(nèi)，則衍射光也位于法面內(nèi)。此時(shí)若光以閃耀角入射，則衍射角等于入射角，即光柵工作于Littrow條件下時(shí)，光柵效率最高。但嚴(yán)格的Littrow條件將使光路難以合理安排，因此在實(shí)際應(yīng)用中，常使入射光與光柵法面有一不為0的夾角丫，而入射光在法面上的投影為閃耀角，可稱為〃準(zhǔn)Littrow條件”。準(zhǔn)Littrow條件仍然可以達(dá)到最高的效率，并且有利于安排光路［6］。在準(zhǔn)Littrow條件下的光柵方程為其中，i為入射角，d為光柵常數(shù)，本項(xiàng)目所選擇的中階梯光柵的刻線密度是54.49g/mm，故光柵常數(shù)為1/54.49;0為光柵衍射角，所選中階梯光柵的閃耀角為46°;m為衍射級(jí)次；入為波長(zhǎng)。由于中階梯光柵光譜儀的工作波段選為200~500nm，因此，將設(shè)計(jì)參考波長(zhǎng)選擇為350nm，將其代入公式（1）得到相應(yīng)的衍射級(jí)次m為75。綜上，根據(jù)公式（1）能計(jì)算得到不同波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的中階梯光柵的衍射級(jí)次［7-8］。圖2棱鏡色散Fig.2Dispersionofprism3.2交叉色散元件由中階梯光柵進(jìn)行主方向的色散之后，為將重疊在一起的級(jí)次分開，需要由橫向色散元件進(jìn)行與主方向垂直的交叉色散，交叉色散元件選用棱鏡。以R=A/dA表示棱鏡的波長(zhǎng)分辨能力，則有：由圖2可知：即：所以得：其中，t為色散棱鏡底邊之長(zhǎng)，為了提高棱鏡的分辨率，選擇內(nèi)反射式的利脫爾棱鏡，如圖3所示。棱鏡的材料是石英玻璃，這是一種具有光學(xué)晶軸的材料，這種棱鏡結(jié)構(gòu)形式對(duì)光學(xué)晶軸的定向要求比傳統(tǒng)三棱鏡要低，這是因?yàn)樵谘b校儀器時(shí)，可以校正部分光學(xué)晶軸的誤差。由折反射定律，可得到梯形反射棱鏡色散公式：圖3利脫爾棱鏡Fig.3LiEr-offprism其中，中為光線入射棱鏡的角度，r為棱鏡出射光線的角度，以為棱鏡的頂角。入射光經(jīng)過(guò)兩個(gè)方向的交叉色散之后即可形成二維光譜，由聚焦物鏡聚焦在出縫的面陣CCD上。由于進(jìn)行了兩個(gè)方向的色散，整個(gè)系統(tǒng)的光路并不在同一平面上，因此各元件在儀器高度方向?yàn)殄e(cuò)層分布［9］。3.3消像差設(shè)計(jì)中階梯光柵光譜儀采用C-T結(jié)構(gòu)形式，其中準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡為反射鏡，為了減小彗差的影響，它們采用相同的光學(xué)結(jié)構(gòu)，即具有相同的曲率半徑。在反射鏡的選取上采用離軸拋物鏡的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)反射鏡如果選用球面鏡時(shí)，球差恒存在，同時(shí)使用時(shí)會(huì)造成球差相加，而用拋物鏡代替球面鏡可以消除球差的影響。彗差是非對(duì)稱像差，它影響系統(tǒng)的分辨率，為了減小彗差對(duì)于光譜儀分辨率的影響可采用等光程消彗差的方法，Lindblom給出了C-T結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的消彗差公式：式中￡為離軸角，R為子午面曲率半徑，p為弧矢面曲率半徑（下角標(biāo)1,2分別對(duì)應(yīng)準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡）。對(duì)于準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡的消像散，可使用式（5）來(lái)計(jì)算：對(duì)中階梯光柵，可以利用球面光柵的聚焦方程：令r=8即可［10-11］。3.4光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果通過(guò)上述分析及計(jì)算，設(shè)計(jì)了中階梯光柵光譜儀，其光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：中階梯光柵常數(shù)：d=1/54.49mm；光柵入射角：i=46.058°光柵轉(zhuǎn)角：Y=6.7。棱鏡入射角：中=27.76。棱鏡半頂角：a/2=12.2°o準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡焦距：f=321.8mm圖4光學(xué)系統(tǒng)對(duì)75級(jí)光線的追跡Fig.4Raytracingof75order光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中參考波長(zhǎng)350nm和邊緣波長(zhǎng)200,500nm處的點(diǎn)列圖如圖5所示，從圖中可以看出在參考波長(zhǎng)位置和邊緣波長(zhǎng)位置處系統(tǒng)像差校正較好。為了計(jì)算系統(tǒng)的分辨率，對(duì)200，350，500nm及其附近的譜線進(jìn)行光線追跡，得到點(diǎn)列圖，如圖5所示。利用公式計(jì)算相對(duì)應(yīng)的分辨率，所得理論分辨率數(shù)值如表1所示。圖5參考波長(zhǎng)與邊緣波長(zhǎng)點(diǎn)列圖Fig.5Spotdiagramsofreferenceandedgewavelength表1光學(xué)系統(tǒng)的理論分辨率Tab.1Theoreticalresolutionofopticalsystem級(jí)次波長(zhǎng)理論分辨率5250012500753503500013120010000考慮到各種可能影響分辨率的因素，可以看出系統(tǒng)分辨率的數(shù)值是能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的。3.5入射狹縫對(duì)于分辨率的影響入射針孔直徑會(huì)影響所測(cè)得譜線寬度，從而影響光譜儀的分辨率。設(shè)入射針孔直徑為廠針孔上每一點(diǎn)均可看作發(fā)光點(diǎn)，可得主截面上光束入射的角寬度：將式（1）兩端對(duì)0求導(dǎo)，由上式可計(jì)算出入射針孔直徑所弓I起的譜線寬度變化量:由針孔進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光通量：式中D為準(zhǔn)直鏡的直徑，S為針孔面積，B為入射光源亮度［12］。普通平面光柵光譜儀想提高分辨率需要減小入射針孔直徑，由此產(chǎn)生的弊端是到達(dá)探測(cè)器的光能變?nèi)酰瑱z測(cè)能力下降，因此，通常光譜儀必須在能量輸出和分辨率之間折中，不能同時(shí)獲得最佳。然而，中階梯光柵由于色散率和分辨率高，即使入射針孔較大時(shí)，也有較強(qiáng)的光能輸出和較高的檢測(cè)能力。在本儀器中初步選用45pm針孔，經(jīng)前面公式計(jì)算其對(duì)200,350和500nm波長(zhǎng)光譜引起的譜線寬度變化分別約為0.034,0.024,0.015nm，可以忽略不計(jì)，不影響系統(tǒng)的分辨率。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果目前中階梯光柵光譜儀原理樣機(jī)已裝配完成，圖6為初步拍攝的汞燈譜圖，圖中所標(biāo)出的為汞燈的綠色特征譜線(546.1nm)。為使光譜儀能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，還需要進(jìn)一步完善后端電路及軟件支撐。圖6初步測(cè)試中拍攝的汞燈光譜圖Fig.6Spectraofmecurylampacquiredthroughpreliminarytest5結(jié)論本文在理論計(jì)算及分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了中階梯光柵光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)其設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析。初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該光譜儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)200~500nm波段光譜的一次讀取，系統(tǒng)在整個(gè)工作波長(zhǎng)內(nèi)分辨率可以達(dá)到2000~15000，滿足預(yù)期指標(biāo)要求，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)單緊湊，便于實(shí)現(xiàn)安裝調(diào)整，為今后中階梯光柵光譜儀的設(shè)計(jì)工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該種結(jié)構(gòu)類型的光譜儀，充分發(fā)揮了中階梯光柵的優(yōu)勢(shì)，符合光譜儀器發(fā)展趨勢(shì)，隨著其設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步成熟會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：[1]HARRIONGR,ARCHERJE,CAMUSJ.AFixed-focusbroad-rangeechellespectrographofhighspeedandresolvingpower[J].J.Opt.Soc.Am.,1952,42(10):706-712.[2]ZHUY,XUW.OpticalandIRtelescopeinstrumentationanddetectors[M].Washington,USA:SPIE,2000:141-147.[3]李娜娜，安志勇，崔繼承.中階梯光柵光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的安裝及檢測(cè)[J].光學(xué)精密工程，2009,17(3),531-536.LINN,ANZY,CUIJC.Aligningandtestingofopticalsystemofechellespectrography[J].Opt.PrecisionEng.,2009,17(3),531-536.(inChinese).[4]武旭華，朱永田，王磊.高分辨率階梯光柵光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2003,11(5):442-447.WUXH,ZHUYT,WAGNL.Opticaldesignofhighresolutionechellespectrograph[J].Opt.PrecisionEng.,2003,11(5):442-447.(inChinese)[5]ARTHURBS,LAWRENCERM,LEANND.Optimizationoftheczerny-turnerspectrometer[J].JOSA,1969,9(9):1189.[6]趙復(fù)垣.刻劃階梯光柵的原理和應(yīng)用特性[J].光譜學(xué)與光譜分析，1993,13(3),101-107.ZHAOFY.Theprincipleandcharactersforapplyingofechelle[J].SpectroscopyandSpectralAnalysis,1993,13(3),101-107.(inChinese)[7]謝品，倪爭(zhēng)技，黃元申，等.中階梯光柵的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].激光雜志，2009,30(2):4-6.XIEP,NIZJ,HUANGYS,etal...Applicationresearchprogressintheechellegrating[J].LaserJournal,2009,30(2):4-6.(inChinese)[8]楊德才.中階梯光柵及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，1992,11(4):29-31.YANGDC.Theechelleanditsapplication[J].ModernScientificInstruments,1992,11(4):29-31.(inChinese)[9]GILMA,