新型多道光谱仪——Mechelle

　　1 引 言

　　在光谱探测的应用领域当中，很多情况下研究者有这样的要求：光谱采集时间要尽可能短，一次采集的光谱范围要尽可能宽;整个探测系统要坚固紧凑，便于携带和户外使用;这些特性不能牺牲光谱分辨率和精度，还要尽可能减少校准和各种漂移补偿的工作量。一种新型的多道光谱仪的问世使这些苛刻而又合理的要求现在可以得到满足了，下面我们结合 Andor公司的此类产品Mechelle 来对这种光谱探测技术进行一番大致的了解。

　　2 Echelle光谱仪

　　在法语中Echelle 意为梯子。一台Echelle光谱仪在把光谱成分在 X 和 Y 两个方向展开，以配合一台 2 维成像探测器(如CCD)，探测器对此进行成像后，软件会识别其中的谱段，并把它们“粘”起来。

　　整个系统的结构原理如图 3 所示，入射光经狭缝进入光谱仪在经准直镜准直前后分别经过两个校正透镜，而后先经一双棱镜系统纵向分光，后经一阶梯光栅横向分光，最后被聚焦反射镜投在CCD 探测器像面上。最终的出射光谱像为一二维像，不同于传统光谱仪的线状谱，这里产生的是“谱点”而非“谱线”，每一个二维点就代表一个谱峰。(图 4)

　　2.1 阶梯光栅

　　如图 5 所示, 阶梯光栅在很多方面与传统光栅不同,首先是所用的反射面不同,阶梯光栅每毫米的刻痕数更少,多用于大入射角高干涉序的场合,很少用于谱序在5 以下的情况,有时用于产生谱序达100 以上的光谱,可以说阶梯光栅是一种干涉序很高的闪耀光栅。

　　阶梯光栅主要的优点是在很宽的谱段内具有高效率和低偏振效应，再结合高色散，就可用于设计坚固紧凑的高分辨率光谱仪。但这里还有一个限制就是不同序的谱会相互混叠，除非把它们从光学上分离开，一个棱镜或传统光栅常被用于实现此目的。这样的结构可很容易地产生适合 CCD 探测器的光谱像输出。

　　阶梯光栅常被用于Littrow结构或其相关机构，这时入射角α和衍射角β常相等，2 个设计参量定义了阶梯光栅，刻痕空间频率(=1/d)及其闪烁角θ。

　　阶梯光栅的效率

　　阶梯光栅在其整个光谱范围内产生一系列不同序的光谱，当处于Littrow 角中(也就是在每个序的中间)，阶梯光栅的效率将达到最高;然而光栅效率在每个序的末端会降低至其峰值的一半;一个阶梯光栅对于给定的衍射序会在其光谱范围内所有波长上闪耀。

　　2.2 镀膜

　　对于多数应用场合，Andor Mechelle 中的阶梯光栅镀了铝，对于200nm 以下的研究，阶梯光栅必须再加镀一层 MgF2 以防止铝膜表面的氧化层降低紫外段的效率。