中階梯光柵光譜儀的光學設計

中階梯光柵光譜儀的光學設計唐玉國;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獲得較高的分辨率,實現(xiàn)全譜直讀，對中階梯光柵光譜儀進行了研究.簡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.利用光學成像原理與消像差理論設計了Czerney-Turner結構形式的中型高分辨率中階梯光柵光譜儀原理樣機的光學系統(tǒng).該光學系統(tǒng)工作在原子譜線最為密集的200-500nm波長處;為簡化計算，在設計中消除了350nm波長的所有像差;光線對中階梯光柵在準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分離重疊的級次，在CCD探測器上獲得了二維光譜面.該光學系統(tǒng)有較好的平場特性及點對點成像能力,在整個工作波長分辨率可達到2000~15000,滿足設計要求.該儀器可用于原子發(fā)射和吸收光譜的研究工作，通過替換不同的探測器及增加外圍電路與軟件平臺，儀器的工作性能可進一步提高.【期刊名稱】《光學精密工程》【年(卷)，期】2010(018)009【總頁數(shù)】7頁(P1989-1995)【關鍵詞】中階梯光柵光譜儀;中階梯光柵;光學設計;交叉色散【作者】唐玉國;宋楠;巴音賀希格;崔繼承;陳今涌【作者單位】中國科學院，長春光學精密機械與物理研究所，吉林，長春,130033;中國科學院，長春光學精密機械與物理研究所，吉林，長春,130033;中國科學院，研究生院，北京,100039;中國科學院，長春光學精密機械與物理研究所，吉林，長春,130033;中國科學院，長春光學精密機械與物理研究所，吉林，長春,130033；中國科學院，研究生院,北京,100039;中國科學院，長春光學精密機械與物理研究所，吉林，長春,130033【正文語種】中文【中圖分類】TH744.11引言普通閃耀光柵用于光譜儀器時，為了避免級次重疊只能使用低衍射級次（如-1級或-2級）。若要實現(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，但由此會加大儀器體積［1］。在當今科學儀器普遍向微小化、便攜式和實時測量方向發(fā)展的形勢下，光譜儀器的小型化、高分辨率、快速測量及信號接收方式等是儀器設計者必須考慮的問題。中階梯光柵是由美國光柵專家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次（如幾十級到幾百級），因而有很高的色散率和分辨率。中階梯光柵光譜儀在結構方面具有體積小、質量輕、結構簡單、無移動部件，面陣接收的特點；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；有利于實現(xiàn)高度智能化和自動化［2-3］,代表了先進光譜技術的發(fā)展趨勢。中階梯光柵光譜儀在20世紀70年代開始在天文領域率先得到應用。到80年代，隨著光柵刻劃技術的發(fā)展，世界上許多2~4m級天文望遠鏡都配備了中階梯光柵光譜儀；至20世紀末，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級光學/紅外天文望遠鏡投入使用。除天文應用之外，從90年代開始，隨著二維陣列探測器技術，尤其是CCD技術的發(fā)展，歐美發(fā)達國家開始將中階梯光柵光譜儀應用于天文、地礦、化工、冶金、醫(yī)藥、環(huán)保、農業(yè)、食品衛(wèi)生、生化、商檢和國防等諸多領域［4］。我國于1995年研制成功了2.16m望遠鏡折軸階梯分光儀，該儀器是我國首次研制的大型中階梯光柵光譜儀器，配備于北京天文臺興隆觀測基地2.16m望遠鏡，為我國天文界開展高分辨率光譜研究提供了有效的手段。但是，由于其結構相對復雜，光學裝調難度大，成本高，尚無法進入商業(yè)領域。在民用方面，國內對中階梯光柵光譜儀器的研究、開發(fā)和應用相對滯后。近幾年，中科院長春光機所在中小型中階梯光柵光譜儀的研發(fā)和產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系統(tǒng)進行了模擬與性能分析，建立了滿足設計要求的光學模型，為中階梯光柵光譜儀的研制提供了理論基礎與設計參考。2中階梯光柵光譜儀工作原理中階梯光柵光譜儀的光學系統(tǒng)結構如圖1所示。它由入射針孔、準直鏡、中階梯光柵、反射棱鏡、聚焦鏡和面陣CCD組成，光學系統(tǒng)采用Czerney-Turner（C-T）結構形式，是最廣泛應用的單色器結構形式之一。該結構簡單緊湊，無移動部件，光學器件少，入射光和出射光夾角為定值，有利于后端調試和標定，并且通過調整各部件的相對位置，可以有效控制像差及獲得二維平像場。C-T結構有U型和Z型（交叉束）兩種形式。交叉束結構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型結構有利［5］，因此，本文選擇了U型C-T結構形式。圖1中階梯光柵光譜儀基本結構Fig.1Basicstructureofechellespectrograph由光源經針孔和準直鏡得到的平行光束入射到中階梯光柵上進行主方向色散；由于采用了高衍射級次的中階梯光柵，其衍射譜存在嚴重的級次重疊，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次光譜分離開來，即進行交叉色散（相對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，按波長與級次的順序由聚焦鏡聚焦在CCD平面上。由于面陣CCD的像素數(shù)遠大于線陣CCD的像素數(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。3光學系統(tǒng)的設計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，可實現(xiàn)兩個相互垂直垂直方向的色散，同時使用曲率半徑相同的離軸拋物鏡作為準直鏡和成像物鏡，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和閃耀級次的確定將經過中階梯光柵刻槽斷面上一點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，則衍射光也位于法面內。此時若光以閃耀角入射，則衍射角等于入射角，即光柵工作于Littrow條件下時，光柵效率最高。但嚴格的Littrow條件將使光路難以合理安排，因此在實際應用中，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Littrow條件”。準Littrow條件仍然可以達到最高的效率，并且有利于安排光路［6］。在準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為衍射級次；入為波長。由于中階梯光柵光譜儀的工作波段選為200~500nm，因此，將設計參考波長選擇為350nm，將其代入公式（1）得到相應的衍射級次m為75。綜上，根據(jù)公式（1）能計算得到不同波長所對應的中階梯光柵的衍射級次［7-8］。圖2棱鏡色散Fig.2Dispersionofprism3.2交叉色散元件由中階梯光柵進行主方向的色散之后，為將重疊在一起的級次分開，需要由橫向色散元件進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，為了提高棱鏡的分辨率，選擇內反射式的利脫爾棱鏡，如圖3所示。棱鏡的材料是石英玻璃，這是一種具有光學晶軸的材料，這種棱鏡結構形式對光學晶軸的定向要求比傳統(tǒng)三棱鏡要低，這是因為在裝校儀器時，可以校正部分光學晶軸的誤差。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。入射光經過兩個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。由于進行了兩個方向的色散，整個系統(tǒng)的光路并不在同一平面上，因此各元件在儀器高度方向為錯層分布［9］。3.3消像差設計中階梯光柵光譜儀采用C-T結構形式，其中準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結構，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構形式，這是因為對于兩個反射鏡如果選用球面鏡時，球差恒存在，同時使用時會造成球差相加，而用拋物鏡代替球面鏡可以消除球差的影響。彗差是非對稱像差，它影響系統(tǒng)的分辨率，為了減小彗差對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結構光學系統(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1,2分別對應準直鏡和聚焦鏡）。對于準直鏡和聚焦鏡的消像散，可使用式（5）來計算：對中階梯光柵，可以利用球面光柵的聚焦方程：令r=8即可［10-11］。3.4光學系統(tǒng)設計結果通過上述分析及計算，設計了中階梯光柵光譜儀，其光學設計參數(shù)如下：中階梯光柵常數(shù)：d=1/54.49mm；光柵入射角：i=46.058°光柵轉角：Y=6.7。棱鏡入射角：中=27.76。棱鏡半頂角：a/2=12.2°o準直鏡和聚焦鏡焦距：f=321.8mm圖4光學系統(tǒng)對75級光線的追跡Fig.4Raytracingof75order光學系統(tǒng)結構如圖4所示。其中參考波長350nm和邊緣波長200,500nm處的點列圖如圖5所示，從圖中可以看出在參考波長位置和邊緣波長位置處系統(tǒng)像差校正較好。為了計算系統(tǒng)的分辨率，對200，350，500nm及其附近的譜線進行光線追跡，得到點列圖，如圖5所示。利用公式計算相對應的分辨率，所得理論分辨率數(shù)值如表1所示。圖5參考波長與邊緣波長點列圖Fig.5Spotdiagramsofreferenceandedgewavelength表1光學系統(tǒng)的理論分辨率Tab.1Theoreticalresolutionofopticalsystem級次波長理論分辨率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)值是能夠滿足設計指標要求的。3.5入射狹縫對于分辨率的影響入射針孔直徑會影響所測得譜線寬度，從而影響光譜儀的分辨率。設入射針孔直徑為廠針孔上每一點均可看作發(fā)光點，可得主截面上光束入射的角寬度：將式（1）兩端對0求導，由上式可計算出入射針孔直徑所弓I起的譜線寬度變化量:由針孔進入光學系統(tǒng)的光通量：式中D為準直鏡的直徑，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，由此產生的弊端是到達探測器的光能變弱，檢測能力下降，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，也有較強的光能輸出和較高的檢測能力。在本儀器中初步選用45pm針孔，經前面公式計算其對200,350和500nm波長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，不影響系統(tǒng)的分辨率。4實驗結果目前中階梯光柵光譜儀原理樣機已裝配完成，圖6為初步拍攝的汞燈譜圖，圖中所標出的為汞燈的綠色特征譜線(546.1nm)。為使光譜儀能夠滿足實際應用的需要，還需要進一步完善后端電路及軟件支撐。圖6初步測試中拍攝的汞燈光譜圖Fig.6Spectraofmecurylampacquiredthroughpreliminarytest5結論本文在理論計算及分析的基礎上設計了中階梯光柵光譜儀的光學系統(tǒng)，并對其設計結果進行了分析。初步實驗驗證表明，該光譜儀可實現(xiàn)對200~500nm波段光譜的一次讀取，系統(tǒng)在整個工作波長內分辨率可以達到2000~15000，滿足預期指標要求，同時整體結構尺寸簡單緊湊，便于實現(xiàn)安裝調整，為今后中階梯光柵光譜儀的設計工作奠定了堅實的基礎。該種結構類型的光譜儀，充分發(fā)揮了中階梯光柵的優(yōu)勢，符合光譜儀器發(fā)展趨勢，隨著其設計技術的進一步成熟會有廣闊的應用前景。參考文獻：[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系統(tǒng)的安裝及檢測[J].光學精密工程，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設計[J].光學精密工程，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]趙復垣.刻劃階梯光柵的原理和應用特性[J].光譜學與光譜分析，1993,13(3),101-107.ZHAOFY.Theprincipleandcharactersforapplyingofechelle[J].SpectroscopyandSpectralAnalysis,1993,13(3),101-107.(inChinese)[7]謝品，倪爭技，黃元申，等.中階梯光柵的應用研究進展[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.中階梯光柵及其應用[J].現(xiàn)代科學儀器，1992,11(4):29-31.YANGDC.Theechelleanditsapplication[J].ModernScientificInstruments,1992,11(4):29-31.(inChinese)[9]GILMA,