一种小型中阶梯光栅光谱仪的光学设计

一种小型中阶梯光栅光谱仪的光学设计冯帆;段发阶;伯恩;吕昌荣;梁春疆【摘要】With the rapid development of spectral analysis technology in the information age, spectral instrument becomes a preferred access to information in various fields for its performance like high precision, low intrusion and small form factor. With the basic theory of optical design as guidance, echelle grating as key part, high resolution and wide detection wavelength as design target, a small size echelle spectrograph based on Czerny-Turner optical structure is designed. The structure of the system parameters is obtained based on the theoretical computation, and the optical system is simulated by the optical design software Zemax. The design results show that the theoretical resolution of the system, which works in the spectrum range from 200 nm to 800 nm, is better than 0.1 nm.%随着信息时代光谱分析技术的飞速发展，光谱仪器的高精度、低干扰、体积小型化等性能优势使其成为各领域各行业的优选信息获取手段。

本文以光学设计的基本原理为指导、中阶梯光栅为核心、宽波长范围和高分辨力为设计目标，设计了一种基于切尼尔-特纳型光路结构的小型中阶梯光栅光谱仪系统。

通过理论分析和计算，确定了系统的结构参数，并使用Zemax软件进行光学仿真。

结果表明，该系统在200～800 nm的波段上理论分辨力优于0.1 nm。

【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】6页(P20-25)【关键词】光谱分析;中阶梯光栅光谱仪;中阶梯光栅;切尼尔-特纳结构【作者】冯帆;段发阶;伯恩;吕昌荣;梁春疆【作者单位】天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072【正文语种】中文【中图分类】TH744;TH7030 引言1949年，为了研究塞满效应和同位素的超精细光谱结构，以及精确测量复杂的原子和分子光谱的波长，提高光谱仪器的分辨力成为了急待解决的难题。

直到G．R．Harrison教授提出了中阶梯光栅之后，才是光谱仪的分辨力上了一个新台阶[1]。

20世纪70年代至80年代，光栅刻划技术不断完善，中阶梯光栅光谱仪率先在天文领域得到了应用，德国的“Venus Express”宇宙飞船、日本的先进地球探测卫星ADEO-2上均搭载中阶梯光栅光谱仪进行大气中微量物质的探测[2]。

近年来，随着短脉冲激光技术和二维面阵探测器技术的日趋成熟，中阶梯光栅光谱仪真正进入人们的视野，逐渐在自然资源勘探、环境污染评估、生物医学诊断、食品卫生检测等民用领域开展了广泛的应用。

普通的平面闪耀光栅采用低光谱级次(第一级或第二级)衍射[3]，通过大面积、高密度刻划线提高光栅的分光能力，但它加工工艺繁琐、体积尺寸庞大。

中阶梯光栅是一种特殊的光栅，它以大闪耀角入射，高级次(几十级至几百级)衍射，极大地提高了光谱分辨力和角色散率。

但由于其刻线密度较低，自由光谱范围小，高光谱级次严重重叠，一般使用色散棱镜在纵向维度进行级次分离，通过二维色散形成面阵光谱，采用二维阵列 CCD探测器接收，再利用波长标定、谱图还原技术将二维重叠光谱还原成一维光谱信息，从而实现全谱的快速检测[4-5]。

中阶梯光栅因大色散率、高衍射效率的特点在光谱仪色散元件的选用上占有很大的优势。

以中阶梯光栅为分光元件的光谱仪器具有结构紧凑、性能稳定、检测速度快、可现场实时测量等优点。

本文对小型中阶梯光栅光谱仪系统进行模型建立，通过理论计算与分析确定各元件参数，并使用光学软件模拟系统以验证其可行性。

1 光学结构设计1.1 典型平面光栅光谱仪系统性能比较和选择光栅光谱仪的光学系统结构种类较多，对中阶梯光栅光谱仪系统而言有多种选择方案。

中阶梯光栅属于平面衍射光栅[6]，从典型的平面光栅光谱仪结构入手，对李特洛(Littrow)自准直[7]、艾伯特-法斯梯(Ebert-Fastie)[8]、夏帕-格兰茨(Chupp-Gtantz)[9]、切尔尼-特纳(Czerny-Turner)[10]4种光学结构特点进行分析。

第1种结构是李特洛系统，如图1(a)所示，该系统结构简单、紧凑，但是由于入射与出射狭缝的距离太近，入射光束在经过反射镜时产生的部分杂散光将直接进入出射狭缝，并且存在多次衍射问题。

第2种结构是艾伯特-法斯梯系统，如图1(b)所示，该系统结构形式严格对称，剩余慧差小，物镜的像差不使狭缝像产生附加弯曲，但这种结构的体积尺寸较大。

第3种结构是夏帕-格兰茨系统，如图1(c)所示，该系统具有高分辨力、低杂散光的特点。

但其反射镜采用的离轴抛物面加工难度大，装调困难，成本较高。

第4种结构是切尔尼-特纳系统，简称C-T系统，如图1(d)所示，该系统可避免二次衍射和多次衍射，像差很小，结构装调方便，便于压缩光路空间，满足中阶梯光栅光谱仪系统轻小、便携的特点。

图1 典型平面光栅光谱仪光路结构图Fig.1 Optical structure of typical plane grating spectrograph使用ZEMAX光学软件对C-T系统进行模拟，其3D结构如图2所示，所采用光栅的光栅常数为85 g/mm，球面镜的曲率半径200 mm，相对孔径为1/8，以短波380 nm处波长相差4 nm的三光束入射。

由图2可以看出，系统使用准直镜、聚焦镜对光路进行两次折叠，最终在像面上准确地将间隔为4 nm的三种波长的光束分离。

通过控制凹面球面反射镜的焦距和离轴角，可以在确保实现高分辨力的前提下大大地提高空间利用率，压缩光谱仪器的体积尺寸。

图3为该系统的像差曲线图，从光线的像差曲线可以看出，曲线基本关于EY和EX对称分布，系统的球差与慧差基本控制在像差的容限范围内，说明C-T结构具有较好的像差校正能力。

根据四种典型平面光栅光谱仪光学结构的性能比较，最终选取C-T结构作为中阶梯光栅光谱仪的系统结构。

1.2 中阶梯光谱仪结构设计系统结构如图4所示，由入射狭缝、反射镜、准直镜、中阶梯光栅、色散棱镜、聚焦镜和CCD探测器组成。

其原理是入射光束由光纤导入，通过狭缝进入分光系统，经过平面反射镜消除杂散光干扰，然后经准直镜产生平行光，再经中阶梯光栅横向分光、色散棱镜纵向分光，最后由聚焦镜投射在 CCD探测器的像面上。

最终由出射光形成二维光谱，与传统的线状光谱不同，在二维谱图上每一个谱点代表一个谱峰，对应一种特定的波长。

其光学系统设计参数如表1所示。

图2 切尔尼-特纳系统3D结构图Fig.2 3D Layout of Czerny-Turner system图3 切尔尼-特纳系统光线像差曲线图Fig.3 Ray aberration fans plot of Czerny-Turner system图4 小型中阶梯光栅光谱仪结构示意图Fig.4 The structure of small echelle spectrograph表1 光谱仪系统参数Table1 Data of echelle spectrographP a r a m e t e r s o f s y s t e m V a l u e W a v e l e n g t h r a n g e/n m 2 0 0∼8 0 0 T h e o r e t i c a l r e s o l u t i o n/n m 0.1 G r a t i n g c o n s t a n t/(g·m m-1) 7 9 G r a t i n g i n c i d e n t a n g l e/(°) 6 3.5 G r a t i n g d e f l e c t i o n a n g l e/(°) 3.6 G r a t i n g s i z e/(m m×m m) 2 5×5 0 C o l l i m a t i n g m i r r o r/f o c u s i n g m i r r o r a p e r t u r e/m m 2 5.4/5 0.8 C o l l i m a t i n g m i r r o r/f o c u s i n g m i r r o r f o c a l l e n g t h /m m 1 4 0/1 4 0 P ri s m a p e x a n g l e/(°) 2 82 光谱仪系统分析2.1 中阶梯光栅2.1.1 基本光栅衍射理论波长为λ的平行光以入射角θ(即入射光线与Z轴之间的夹角)，入射方位角φ(即入射光线在XY平面的投影与X轴的夹角)，设第m级衍射谱线的衍射角为mθ,衍射方位角为mφ。

由广义光栅方程[11]得到：由式(1)和式(2)求出衍射角和衍射方位角为当平面波入射(φ=0)，且n=1时，式(1)～式(4)可进行简化，用式(5)描述光栅的色散：其中mθ取正值，当衍射光与入射光在光栅法线同一侧θ为正，反之为负。

2.1.2 中阶梯光栅工作原理中阶梯光栅是一种特殊的衍射光栅，其刻线数较少，刻槽面是宽而深的直角。

由于入射角和衍射角均不在衍射面内，实际的光路以锥面的方式入射，需要考虑光栅的偏转角度[12]。

如图5所示，α为入射角，β为衍射角，σ 为光栅单位长度，δ为光栅偏转角，bθ为光栅闪耀角。