超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计.pdfVIP

超宽谱段⾼分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计 摘要：为了实现超宽谱段与⾼分辨率特点兼具的中阶梯光栅光谱仪系统，提出了⼀种光路结构设计，并针对其深紫外波 段的有效探测⽅法进⾏了研究及验证。该光路结构结合准Littrow结构与C-T结构的优势，保证了⾊散光路具备⾼衍射效 率，同时很好地抑制了杂散光。在有限可选光学材料下，采⽤多重评价优化⽅式获得中阶梯光栅光谱仪的光学结构参 数。通过加⼊由球透镜及柱透镜组成的校正结构，有效地校正了像差，提⾼了光谱分辨率。最后，针对深紫外波段探测 的解决⽅案进⾏模态分析，验证了所设计⽅案的可⾏性。最终在160~1 000 nm的超宽波段范围内，成像光斑的RMS值 优于12.1 µm，在257.61 nm处的光谱分辨率优于0.009 nm，能够满⾜超宽谱段、⾼分辨率检测系统的⾊散分光需求。 关键词：光学设计；中阶梯光栅光谱仪；超宽谱段；⾼分辨率 1 引⾔ 光谱技术作为⼀种重要的分析⼿段，在科研、⽣产、质量控制等⽅⾯发挥着巨⼤作⽤。它依据物质发射、吸收光辐射的 频率和强度，实现物质的定性、定量及结构分析，应⽤⾮常⼴泛。中阶梯光栅光谱仪因采⽤中阶梯光栅作为主⾊散元 件，可以⼀次获取全波段光谱图像，且较同体积规格仪器的光谱分辨率⾼、⼯作波段范围宽、能量效率⾼，是激光诱导 等离⼦体光谱 （Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS）、微波等离⼦体炬（Microwave Plasma Torch，MPT） 光谱、拉曼光谱及电感耦合等离⼦体原⼦发射光谱 （Inductively Couple Plasma，ICP）等先进光谱分析系统的优选分 光单元。 中阶梯光栅是⼀种⾼端⾊散元件，具有全波闪耀、⾼⾊散率、⾼衍射效率的优点，但其⼯作于⾼级次衍射的特点，也带 来了严重的光谱叠级现象。通常采⽤增加棱镜作为辅助⾊散元件的⽅法解决该问题，能保证系统的光传输效率且不会引 ⼊⼲扰光谱，但存在⾊散不均性，衍射级次在短波区级次间隔⼤，在长波区级次间隔⼩，引⼊了级次⼲扰。此外，组合 交叉⾊散结构会在像⾯形成⼤⾯积⼆维光谱图像，主光线不在固定平⾯内，需在⼦午、弧⽮两⽅向分别进⾏像差校正及 焦距补偿，为光学结构的设计增加了困难。 欧美国家很早就开展了中阶梯光栅光谱仪的研发⼯作，通过探索优化光栅制作、光学设计、光谱探测等关键单元技术， 成功研制出多款具备先进技术⽔平的中阶梯光栅光谱仪。鉴于它在光谱分析及相关应⽤领域中不可替代的优势，近年， 国内诸如长春光机所、浙江⼤学、天津⼤学等科研单位也相继开展了中阶梯光栅光谱仪的研究⼯作。所设计仪器的使⽤ 波段基本在190~800 nm，且未有能实现超宽谱段范围同步直读的设计报导。⽽光谱仪器谱段范围的拓宽，意味着可覆 盖更多待测样本所含元素的特征谱线，⼤⼤提升了光谱分析系统的检测能⼒。 本⽂主要根据⽯化⾏业油品检测元素的使⽤波段及检出需求，设计了⼀种能够覆盖深紫外到近红外波段的超宽谱段⾼分 辨率中阶梯光栅光谱仪。该光谱仪结合准Littrow结构与C-T结构优势，采⽤组合⾊散形式；为⽅便装调，控制成本，采 ⽤球⾯反射镜作为主要反射元件，通过加⼊校正结构及优化配置光路参数获得了优质的成像质量。 2 原理 基于中阶梯光栅、棱镜组合⾊散的中阶梯光栅光谱仪结构原理如图1所⽰。光谱仪主要由准直系统、聚焦系统、⾊散系 统和探测系统组成。 图1.中阶梯光栅光谱仪的⼯作原理 信号光束由⼩孔⼊射，经准直镜后以平⾏光的形式⼊射到中阶梯光栅的表⾯进⾏弧⽮⽅向⾊散，再经过棱镜完成⼦午⽅ 信号光束由⼩孔⼊射，经准直镜后以平⾏光的形式⼊射到中阶梯光栅的表⾯进⾏弧⽮⽅向⾊散，再经过棱镜完成⼦午⽅ 向⾊散，如此交叉⾊散形成⼆维光谱，通过成像镜进⾏会聚，成像于探测器的接收靶⾯，完成光谱信息的收集。然后， 通过后端的光谱信息预处理等操作实现⼆维谱图的⼀维转换，最终为分析检测系统提供准确的样品特征光谱信息。 3 光路结构设计 3.1 设计需求 中阶梯光栅光谱仪多集成于光谱检测设备内应⽤，是光谱分析系统的核⼼单元。为增加检测元素种类和提⾼元素分析准 确度，所设计的中阶梯光栅光谱仪需具备超宽波段、⾼光谱分辨率特点。此外，为充分发挥其“全谱直读”的独特优势， 光路结构的设计需以中阶梯光栅全部使⽤级次的中⼼波长为参考，完成全谱段成像质量的优化和评价。 此中阶梯光栅光谱仪的主要应⽤⽅向为基于微波等离⼦体炬光源的油品检测设备。综合油品重要监测元素S，Cl等的特 征谱线位置及检出要求，输⼊设计需求如表1所⽰。