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抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计

苏渤皓 刘建利 王玮 巴音贺希格

苏渤皓, 刘建利, 王玮, 巴音贺希格. 抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0140
引用本文: 苏渤皓, 刘建利, 王玮, 巴音贺希格. 抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0140
SU Bohao, LIU Jianli, WANG Wei, BAYANHESHIG. Design of a paraboloid-prism echelle spectrometer[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0140
Citation: SU Bohao, LIU Jianli, WANG Wei, BAYANHESHIG. Design of a paraboloid-prism echelle spectrometer[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0140

抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计

cstr: 32171.14.CO.2025-0140
基金项目: 国家重点研发计划项目(No. 2023YFF0718100,No. 2022YFB3606100);江苏省高等学校自然科学研究面上项目(No. 20KJB416003)
详细信息
    作者简介:

    苏渤皓(1999—),男,辽宁辽阳人,硕士研究生,2022年于大连理工大学获得学士学位,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所硕士研究生,主要从事中阶梯光栅光谱仪研究。E-mail:subohao22@mails.ucas.ac.cn

    刘建利(1991—),男,吉林通榆人,博士,讲师,2019年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光谱仪设计及光谱数据分析研究。E-mail:liujl@yctu.edu.cn

    王 玮(1989—),男,山西大同人,博士,副研究员,2017年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事高精度光栅制备及应用相关研究工作。E-mail:wayne_lzu@163.com

    巴音贺希格(1962—),男,内蒙古鄂尔多斯人,博士,研究员,博士生导师,2004年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光栅理论、光栅设计方法、光栅制作技术、光谱成像技术及精密测量技术研究和大型高精度光栅制造专用光电设备研制工作。E-mail:bayin888@sina.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Design of a paraboloid-prism echelle spectrometer

Funds: Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2023YFF0718100, No. 2022YFB3606100); Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (No. 20KJB416003)
More Information
  • 摘要:
    目的 

    针对传统中阶梯光栅光谱仪高分辨率与微型化难以兼容的技术难题,本文提出了一种紧凑型中阶梯光栅光谱仪的设计方法。

    方法 

    该设计基于交叉Czerny-Turner型光路结构,采用透射棱镜作为交叉色散元件,通过正交色散分离不同级次光谱的同时结合反向离轴抛物面聚焦镜消除棱镜引入的像差,以实现空间布局小型化。本文对中阶梯光栅及色散棱镜参数进行设计建模,并由光程像差理论分析了聚焦光路的像差特性。

    结果 

    仿真结果表明,抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪光谱范围为450~650 nm,数值孔径为0.05,分辨率可达0.06 nm,并且在公差范围合理情况下,系统体积仅有80 mm×44 mm×18 mm。

    结论 

    基本能够满足便携式、高精度光谱检测的使用要求。

     

  • 图 1  中阶梯光栅光谱仪光路示意图

    Figure 1.  Optical structure of echelle spectrometer

    图 2  中阶梯光栅衍射示意图(a)光栅截面内色散(b)准Littrow模式

    Figure 2.  Schematic of the echelle grating diffraction (a) dispersion in grating cross-section. (b) quasi-Littrow configuration

    图 3  棱镜色散示意图

    Figure 3.  Schematic of the prism dispersion

    图 4  棱镜像差示意图

    Figure 4.  Schematic of prism aberration

    图 5  过焦点平行光经离轴抛物面镜的像差原理图

    Figure 5.  Schematic of aberration principle for parallel light passing through the focal point via an off-axis parabolic mirror

    图 6  聚集光路示意图

    Figure 6.  Layout of focused optical path

    图 7  中阶梯光栅光谱仪优化后的光路

    Figure 7.  Optical layout of an echelle spectrometer.

    图 8  42衍射级次下光谱仪的调制传递函数曲线

    Figure 8.  MTF curves of spectrograph at order 42.

    图 9  第35、39、42、45、49级次下中心及边缘波长的点列图

    Figure 9.  Spot diagrams for central and marginal wavelengths at orders 35, 39, 42, 45 and 49

    图 10  15个特征波长的像面坐标及狭缝几何图像仿真

    Figure 10.  Image plane coordinates of 15 characteristic wavelengths and slit geometric image simulation

    表  1  光谱仪的设计参数

    Table  1.   Parameters of the designed spectrometer.

    系统参数 数值
    数值孔径 0.05
    入射狭缝 15 μm×50 μm
    光谱范围 450 nm ~ 650 nm
    光谱级次 35th ~ 49th
    准直镜 R= 140 mm, θ = 5°
    聚焦镜 R= 150 mm, θ = 16.7°
    中阶梯光栅 79 gr/mm, $ {\theta }_{B} $= 63.5°, γ = 7°
    色散棱镜 Glass:H-ZF3, α =16°
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    表  2  系统公差设置明细

    Table  2.   Setting details of system tolerance

    公差类型 参数
    表面不规则度 ±0.2光圈
    曲率半径 ±2光圈
    元件/表面偏心 ±0.05 mm
    元件/表面倾斜 ±0.05 mm
    厚度 ±0.1 mm
    折射率 0.001
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    表  3  对光学性能影响最大的公差项

    Table  3.   Tolerances with greatest effect on optical performance

    类型 表面 评价函数下降
    表面不规则度 准直镜 4.9%
    元件倾斜/X 离轴抛物镜 3.82%
    表面倾斜/X 离轴抛物镜 3.81%
    曲率半径 准直镜 2.59%
    元件偏心/Y 准直镜 2.56%
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-11-05
  • 录用日期:  2025-12-16
  • 网络出版日期:  2025-12-30

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