一種雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法以及雙入射狹縫光譜儀技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法以及雙入射狹縫光譜儀，使用凹面光柵、兩個入射狹縫和兩個光探測器搭建光譜儀，包括以下步驟：1)確定第一入射狹縫的入射角以及凹面光柵的槽型周期；2)估算凹面光柵的閃耀角，確定凹面光柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)；3)估算入射角范圍；獲取入射角度為θA1時和分布在入射角范圍內(nèi)的多個角度下凹面光柵的波長-衍射效率曲線；4)確定入射角θA2的值以及波長λ2和λ3的值；5)得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用結(jié)構(gòu)參數(shù)；6)確定凹面光柵的制作參數(shù)；7)確定兩個入射狹縫和兩個光探測器相對于凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。本發(fā)明專利技術(shù)的設(shè)計方法得到的光譜儀，能提高大部分光譜區(qū)域內(nèi)的衍射效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法以及雙入射狹縫光譜儀 【
】 本專利技術(shù)涉及光譜儀的設(shè)計方法，特別是涉及一種使用凹面光柵的雙入射狹縫光譜 儀的設(shè)計方法以及雙入射狹縫光譜儀。 【
技術(shù)介紹
】 近年來，由于環(huán)境檢測、生物醫(yī)學、科技農(nóng)業(yè)、軍事分析以及工業(yè)流程監(jiān)控等一些 需要現(xiàn)場實時測試的應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展，實驗室中的大型光譜儀器已難以滿足上述實 際使用要求。開發(fā)便攜式小型光譜儀器產(chǎn)品具有重要的實際意義以及廣闊的市場前景。現(xiàn) 有小型光譜儀中，有使用凹面光柵進行搭建的光譜儀，通常包括凹面光柵、一個入射狹縫和 多個探測器。通過對凹面光柵的制作參數(shù)、入射狹縫的入射角度以及各器件之間的相對位 置進行設(shè)計調(diào)整，從而搭建光譜儀，實現(xiàn)在某一波段范圍內(nèi)的光波檢測。然而，現(xiàn)有的設(shè)計 方法下搭建的光譜儀，雖然能實現(xiàn)寬光譜區(qū)域的光波檢測，但在部分光譜區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的衍 射效率卻較低，無法滿足高要求的應(yīng)用。 【
技術(shù)實現(xiàn)思路
】 本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是：彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙入射狹縫 光譜儀的設(shè)計方法及雙入射狹縫光譜儀，在大部分光譜區(qū)域內(nèi)具有較高的衍射效率，整體 衍射效率較高。 本專利技術(shù)的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決： -種雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法，通過設(shè)計，使用凹面光柵、兩個入射狹縫和兩 個光探測器搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測范圍為λ 4;所述設(shè)計方法包括以 下步驟：1)根據(jù)所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法計算得到在單一入 射狹縫時的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度 值作為第一入射狹縫的入射角Θ Α1的值；2)估算所述凹面光柵的閃耀角，確定所述凹面光 柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)；3)根據(jù)光譜閃耀條件，確定出與入射角度Θ Α1滿足同一閃耀角 下的光譜閃耀條件的入射角范圍，將該入射角范圍作為第二入射狹縫的入射角ΘΑ2的范 圍，閃耀角的值取所述步驟2)估算的閃耀角的值；獲取入射角度為Θ A1時所述凹面光柵的 波長-衍射效率曲線，以及分布在所述第二入射狹縫的入射角范圍內(nèi)的多個角度下所述凹 面光柵的波長-衍射效率曲線；4)根據(jù)步驟3)得到的多個入射角度下的波長-衍射效率 曲線確定一個角度作為第二入射狹縫的入射角θ A2的值；根據(jù)角度為Θ A1時的波長-衍射 效率曲線和ΘΑ2角度下的波長-衍射效率曲線的對比，確定波長\ 2和λ3的值；5)根據(jù)得 到的兩個入射角ΘΑ1、ΘΑ2的值，四個波長λ 2、λ3、入4的值以及所述光譜儀的固定結(jié) 構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法，使用光學設(shè)計軟件ZEMAX軟件進行參數(shù)優(yōu)化，得到記錄 結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用結(jié)構(gòu)參數(shù)；6)根據(jù)步驟1)中的凹面光柵的槽型周期，步驟2)的凹面光 柵的閃耀角、表面材料和槽型結(jié)構(gòu)以及步驟5)得到的記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的 制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的凹面光柵；7)根據(jù)步驟5)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定兩個入射 狹縫和兩個光探測器相對于所述凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。 -種雙入射狹縫光譜儀，包括凹面光柵、兩個入射狹縫和兩個光探測器，所述凹面 光柵的制作參數(shù)以及兩個入射狹縫和兩個光探測器相對于所述凹面光柵的位置根據(jù)如上 所述的設(shè)計方法確定得到。 本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是： 本專利技術(shù)的雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法，先確定單一入射角度值，然后通過各波 長在角度ΘΑ1下的衍射效率以及估算的ΘΑ2的角度范圍內(nèi)的衍射效率情況，確定另外一個 入射角度以及光譜檢測區(qū)域（λ λ 4)內(nèi)的波段截止點λ 2和λ 3，進而根據(jù)確定的兩個入 射角度和四個波長值進行光學設(shè)計，得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而確定凹面光 柵的結(jié)構(gòu)以及凹面光柵與兩個入射狹縫、兩個光探測器之間的相對位置，搭建得到光譜儀。 該搭建的光譜儀能實現(xiàn)預期目標，檢測λ 4范圍內(nèi)的光波。光譜儀通過雙入射狹縫實 現(xiàn)雙角度入射，從而實現(xiàn)雙波長閃耀，相對于現(xiàn)有的光譜儀僅能實現(xiàn)一個閃耀波長，本專利技術(shù) 設(shè)計的光譜儀在使用大角度入射的入射狹縫時，其閃耀波長相比小角度入射的入射狹縫會 向短波部分移動，從而實現(xiàn)在兩個不同的入射角下有兩個不同的閃耀波長，從而提高衍射 效率，相對于現(xiàn)有的光譜儀，可提高大部分光譜區(qū)域的衍射效率，且衍射效率高達〇. 4的波 段區(qū)域占整個光波檢測范圍的比例也有所提高（達81. 9%以上）。 【【附圖說明】】 圖1是本專利技術(shù)【具體實施方式】的雙入射狹縫光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本專利技術(shù)【具體實施方式】的雙入射狹縫光譜儀設(shè)計方法的流程圖； 圖3是本專利技術(shù)【具體實施方式】中設(shè)計時步驟Ρ3)中在入射角度ΘΑ1時得到的波 長-衍射效率曲線圖； 圖4是專利技術(shù)【具體實施方式】中新結(jié)構(gòu)的光譜儀與普通光譜儀在各波長處的衍射效 率對比示意圖。 【【具體實施方式】】 下面結(jié)合【具體實施方式】并對照附圖對本專利技術(shù)做進一步詳細說明。 如圖1所示，為本【具體實施方式】要設(shè)計的雙入射狹縫光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖。 光譜儀包括兩個入射狹縫、凹面光柵和兩個光探測器。光探測器優(yōu)選的可以采用光電倍增 管、熱電探測器、半導體光探測器或者CCD(Charge-coupled Device，電荷稱合器件）陣列 探測器，但并非限制于這幾種。圖1中，ApA2為入射狹縫，ΒΛ3/Β2'為光探測器。以凹面 光柵G的中心0點為坐標原點建立坐標系，依光的傳播方向，在光路上依次設(shè)置入射狹縫、 凹面光柵G和光探測器。凹面光柵G的參數(shù)以及入射狹縫、光探測器的位置通過如下設(shè)計 方法設(shè)計得到，從而搭建出能夠檢測波長范圍在λ 4的光波的凹面光柵光譜儀。經(jīng)設(shè) 計搭建，第一入射狹縫4經(jīng)凹面光柵G匯聚分光后出射的光線照射到光探測器Β/ Β2'上， 波長范圍為λ3?λ4;第二入射狹縫Α2經(jīng)凹面光柵G匯聚分光后出射的光線照射到光探測 器BiB 2上，波長范圍為λ2，其中，入1< λ2< λ3<入4。 設(shè)計方法的流程圖如圖2所示，包括以下步驟： Ρ1)確定第一入射狹縫的入射角以及凹面光柵的槽型周期。具體地，根據(jù)光譜儀的 固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法計算得到在單一入射狹縫時的入射角度值和所述 入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度值作為第一入射狹縫的入射角 Θ A1的值。 當需要搭建光譜儀時，其固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如光譜檢測范圍值，選用的凹面光柵的 曝光波長、工作級次、邊長、基底曲率半徑、光柵常數(shù)，選用的兩個入射狹縫的寬度等固有屬 性參數(shù)是已知的。根據(jù)固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用光程函數(shù)級數(shù)展開法即可計算得到光柵在單一 入射狹縫時的入射角度，并可同時得到所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期。將該 計算的入射角度作為第一入射狹縫的入射角Θ Α1的值。本具體實施例中，光譜儀的固定結(jié) 構(gòu)參數(shù)如下表1所示： 表 1本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：通過設(shè)計，使用凹面光柵、兩個入射狹縫和兩個光探測器搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測范圍為λ1～λ4；所述設(shè)計方法包括以下步驟：1)根據(jù)所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法計算得到在單一入射狹縫時的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度值作為第一入射狹縫的入射角θA1的值；2)估算所述凹面光柵的閃耀角，確定所述凹面光柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)；3)根據(jù)光譜閃耀條件，確定出與入射角度θA1滿足同一閃耀角下的光譜閃耀條件的入射角范圍，將該入射角范圍作為第二入射狹縫的入射角θA2的范圍，閃耀角的值取所述步驟2)估算的閃耀角的值；獲取入射角度為θA1時所述凹面光柵的波長?衍射效率曲線，以及分布在所述第二入射狹縫的入射角范圍內(nèi)的多個角度下所述凹面光柵的波長?衍射效率曲線；4)根據(jù)步驟3)得到的多個入射角度下的波長?衍射效率曲線確定一個角度作為第二入射狹縫的入射角θA2的值；根據(jù)角度為θA1時的波長?衍射效率曲線和θA2角度下的波長?衍射效率曲線的對比，確定波長λ2和λ3的值；5)根據(jù)得到的兩個入射角θA1、θA2的值，四個波長λ1、λ2、λ3、λ4的值以及所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法，使用光學設(shè)計軟件ZEMAX軟件進行參數(shù)優(yōu)化，得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用結(jié)構(gòu)參數(shù)；6)根據(jù)步驟1)中的凹面光柵的槽型周期，步驟2)的凹面光柵的閃耀角、表面材料和槽型結(jié)構(gòu)以及步驟5)得到的記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的凹面光柵；7)根據(jù)步驟5)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定兩個入射狹縫和兩個光探測器相對于所述凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。...

【技術(shù)特征摘要】
1. 一種雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：通過設(shè)計，使用凹面光柵、兩個入 射狹縫和兩個光探測器搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測范圍為λ 4;所述設(shè)計 方法包括以下步驟： 1) 根據(jù)所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法計算得到在單一入射狹 縫時的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度值作 為第一入射狹縫的入射角Θ A1的值； 2) 估算所述凹面光柵的閃耀角，確定所述凹面光柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)； 3) 根據(jù)光譜閃耀條件，確定出與入射角度ΘΑ1滿足同一閃耀角下的光譜閃耀條件的入 射角范圍，將該入射角范圍作為第二入射狹縫的入射角Θ Α2的范圍，閃耀角的值取所述步 驟2)估算的閃耀角的值；獲取入射角度為Θ A1時所述凹面光柵的波長-衍射效率曲線，以 及分布在所述第二入射狹縫的入射角范圍內(nèi)的多個角度下所述凹面光柵的波長-衍射效 率曲線； 4) 根據(jù)步驟3)得到的多個入射角度下的波長-衍射效率曲線確定一個角度作為第二 入射狹縫的入射角ΘΑ2的值；根據(jù)角度為Θ Α1時的波長-衍射效率曲線和ΘΑ2角度下的波 長-衍射效率曲線的對比，確定波長\ 2和λ3的值； 5) 根據(jù)得到的兩個入射角θ Α1、θ Α2的值，四個波長λ ^ λ 2、λ 3、λ 4的值以及所述光 譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法，使用光學設(shè)計軟件ZEMAX軟件進行參數(shù) 優(yōu)化，得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用結(jié)構(gòu)參數(shù)； 6) 根據(jù)步驟1)中的凹面光柵的槽型周期，步驟2)的凹面光柵的閃耀角、表面材料和槽 型結(jié)構(gòu)以及步驟5)得到的記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的 凹面光柵； 7) 根據(jù)步驟5)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定兩個入射狹縫和兩個光探測器相對于所述 凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟4) 中，對比步驟3)中的多個角度下的波長-衍射效率曲線，取使得整個光譜檢測范圍內(nèi)的短 波段范圍內(nèi)衍射效率的平均值相對較高、方差相對較小時一個角度作為第二入射狹縫的入 射角Θ Α2值；然后，對比入射角ΘΑ1和入射角ΘΑ2下的波長-衍射效率曲線，尋找相同波長 處衍射效率也相等時的波長λ χ，取λ2 = λ3 = λχ。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙入射狹縫光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：倪凱，周倩，逄錦超，張錦超，田瑞，許明飛，董昊，
申請(專利權(quán))人：清華大學深圳研究生院，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44