[精品论文]高分辨率中阶梯光栅—棱镜交叉色散光路.doc
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1、精品论文高分辨率中阶梯光栅棱镜交叉色散光路的设计张尹馨1,杨怀栋2,黄战华1,邓超1,金国藩25(1. 光电信息技术教育部重点实验室(天津大学),天津 300072;2. 清华大学精密测试技术与仪器国家重点实验室,北京 100084) 摘要:本文以宽光谱范围、高分辨率的中阶梯光栅光谱仪为研制目标,介绍了中阶梯光栅的 色散特性,阐述了基于它的交叉色散原理,提出了分辨率优先的中阶梯光栅棱镜交叉色散 光路设计方法,包括高分辨率的主色散光路设计、分辨叠级的辅助色散光路设计,及主-辅10色散光路联合校验三个递进的环节,并结合商用光谱仪进行了实例设计,仿真和实验表明, 当光谱范围为 400nm900nm
2、时,该分光系统在 Hg 灯 546nm 处的分辨率可达 51000,在 Na 光 589nm 处的分辨率为 44000。关键词:中阶梯光栅;交叉色散;分辨率中图分类号:TH 74415Optical Design of High-resolution Echelle-PrismCross-DispersionZHANG yinxin1, YANG huaidong2, HUANG zhanhua1, DENG chao1, JIN guofan2(1. Key Laboratory of Opto-electronics Information Technology(Tianjin Unive
3、rsity)of the20Ministry of Education, TianJin 300072;2. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, TsinghuaUniversity, Beijing 100084)Abstract: In this paper,aiming at the wide-spectrum high-resolution echelle spectrometer, the dispersion characteristic of the echelle g
4、rating and the cross-dispersion principle is discussed. And25an optical design method of resolution preferential echelle-prism cross-dispersion is described,which includes the design of the high-resolution main dispersion, the auxiliary dispersion for the separation on the overlapped orders, and the
5、 main - auxiliary dispersion calibration and revision. According to the requirements of the commercial spectrometer, a design example is reported. The simulation and the experiment results show that when the spectral span is 400-900nm, the30resolution for Hg 546nm is 51000, and that for Na 589nm is
6、44000.Keywords: Echelle grating; Cross-dispersion; Resolution0引言对宽光谱范围超精细光谱结构的并行测量是高端光谱仪的重要发展方向,中阶梯光栅是35实现这一目标的首选色散元件。它具有光栅常数大,闪耀角大,衍射级次高及全谱闪耀等特 点,能在宽光谱范围获得高分辨率和高光通量,但光线经其色散后光谱级次重叠严重,需要 采用棱镜或光栅将重叠的级次分开,形成交叉色散。商用分析仪器要求低成本、结构简洁, 通常用棱镜与中阶梯光栅配合色散,并采用反射式的准直和成像系统形成二维光谱。国外在 该领域的技术及应用已相对完善,而国内尚处于起步阶段,仅有唐玉国等
7、1设计了棱镜反射40式的交叉色散光路。本文系统阐述了中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路的设计方法,并以商用 光谱分析仪器的光路为例,设计了基于球面镜的中阶梯光栅-透射棱镜交叉色散光路,实验基金项目:国家自然科学基金项目(21105055);教育部博士点新教师基金(20090002120010) 作者简介:张尹馨,博士,(1978-),女,天津大学精密仪器与光电子工程学院讲师。研究方向为先进光 谱技术与仪器以及它们在生化分析、天文、环境监测中的应用。通信联系人:杨怀栋,博士,(1976-),男,清华大学精密仪器系副研究员。研究方向为光谱光度学、光 谱成像、光谱技术及仪器的应用. E-mail: - 8
8、 -结果表明,光路对 Hg 灯 546nm 波长的分辨率为 51000,Na 双线 589nm 及 589.6nm 处分辨率为 44000。在对结果分析的基础上,本论文还提出了可能的改进方案。1中阶梯光栅的特点及交叉色散45中阶梯光栅的刻线密度通常为 30-100 线/mm,工作在 20-100 级上下,闪耀角 B 为 45-76。与普通光栅一样,它的光谱是多缝干涉和单缝衍射相互调制的结果,光栅方程d (sin i + sin ) = m只与光栅干涉效应相关,其中 d、i、m、 分别是光栅常数、入射角、衍射角、干涉级次和波长。对于单缝衍射,主极大出现在衍射角为50 = 2B i的方向2,在该方
9、向上光栅分辨率公式变为:W sin i + sin ( 2 B i )R = mN =W 为光栅刻划宽度。令 dR / di = 0 ,那么当i = B 时,R 有极大值。因此,中阶梯光栅工3作在i = = B 的 Littrow 条件下,能获得最佳光谱分辨效果和最高峰值衍射效率。在实际55中,严格的 Littrow 结构使得光路安排异常困难,通常采用入射光线与光栅主截面有离面角 的准 Littrow 结构,如图 1 所示。图 1 中阶梯光栅的准 Littrow 结构示意图Fig. 1 Schematic Layout of Echelle in Quasi-Littrow Configura
10、tion60在该条件下,光栅方程简化为:m = 2d cos sin B角色散率:65d = 2 tan Bd 自由光谱范围: 2 =m2d cos sin B70单个级次的角色散: = d = 2 tan Bd m由式(5)-(7)可知,中阶梯光栅的大闪耀角和大光栅常数使其具有以下特点:1)角色散精品论文率大,波长分辨能力强。2)自由光谱范围小,光谱级次重叠严重。3)单个级次色散角小,衍射效率高,能实现全谱闪耀。鉴于以上特点,中阶梯光栅须配合交叉色散元件,在与之色75散垂直的方向分离重叠的级次,形成二维光谱4-6。2中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路的设计方法在小型仪器中,交叉色散元件多用棱镜,它
11、可在宽光谱范围内获得较高的光效率和相对 均匀的色散。棱镜置于光栅之后的后色散容易控制各波长光线入射光栅的离面角,因此应 用更为广泛7,本文也采用该方案,如图 2 所示。设计分为三步:高分辨率的主色散光路设80计;分辨叠级的辅助色散光路设计;以及主-辅色散光路联合校验。图 2 棱镜后色散式交叉色散光路Fig. 2 Cross-dispersion with Prism Post-dispersing852.1 主色散光路的设计主色散光路由光栅分辨细微波长。准直和成像系统采用低成本的球面反射镜,设计时考 虑其像差的互补性,如图 3 所示。中阶梯光栅的闪耀角以 63的为最佳,它理论上在任何闪 耀波长
12、处的闪耀效率均能达到最大值的 90%8;光谱探测器通常用 CCD,高灵敏度的光谱90级面阵 CCD 价格昂贵,其单个像素尺寸和靶面大小都与系统参数相关,合理选择 CCD 是 控制光谱仪成本的关键。图 3 主色散光路结构Fig. 3 Main Dispersion Configuration95光谱分辨率 R 是光路设计的重要目标,由光路的实际应用要求决定。 R = / ,谱宽精品论文为的狭缝像覆盖至少三个 CCD 像素才不会损失系统分辨率。设 CCD 像元尺寸为 a,由光栅的线色散可推得:100sin i + sin f 3a cos 其中 f 为成像镜焦距。在准李特洛结构下,有:3af 2
13、tan B = 3Ra2 tan B105因此,根据光栅闪耀角和选定的 CCD,由分辨率要求可得到成像镜的最小焦距。如果 希望一次曝光成像,那么光栅的自由光谱范围应当与 CCD 靶面边长 l 相匹配,从而可得到 光栅刻线间距 d: tan d B fl cos B由光谱分辨率公式R = mN = 2W sin B110115120125可知,光栅刻划宽度 W 越大,分辨率越高。但是光栅的面积不仅要考虑预算,还必须 权衡探测光强与像质控制难度间的关系,系统 F 数可为 5-109。当光栅用于准李特洛结构时,有效孔径 D = W cos B ,则刻线长度 L 应当等于 D。光栅的离面角 与光栅效率
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