中阶梯光栅光谱仪的光学设计

　　1　引　言

　　普通闪耀光栅用于光谱仪器时，为了避免级次重叠只能使用低衍射级次(如-1级或-2级)。若要实现光谱仪器高的色散率和光谱分辨率，就需要采用高刻线密度闪耀光栅，加大成像物镜焦距，但由此会加大仪器体积[1]。在当今科学仪器普遍向微小化、便携式和实时测量方向发展的形势下，光谱仪器的小型化、高分辨率、快速测量及信号接收方式等是仪器设计者必须考虑的问题。中阶梯光栅是由美国光栅专家G .R.Harri-son于1949年提出的一种特殊光栅，其刻线密度较低，具有大入射角度和高衍射级次(如几十级到几百级)，因而有很高的色散率和分辨率。中阶梯光栅光谱仪在结构方面具有体积小、质量轻、结构简单、无移动部件，面阵接收的特点;在性能方面具有高色散、高分辨率、低检出限、宽波段、全波闪耀和瞬态光谱的特点;有利于实现高度智能化和自动化[2-3]，代表了先进光谱技术的发展趋势。中阶梯光栅光谱仪在20世纪70年代开始在天文领域率先得到应用。到80年代，随着光栅刻划技术的发展，世界上许多2～4m级天文望远镜都配备了中阶梯光栅光谱仪;至20世纪末，全世界已有10架配备了高分辨率中阶梯光栅光谱仪的8～10 m级光学/红外天文望远镜投入使用。除天文应用之外，从90年代开始，随着二维阵列探测器技术，尤其是CCD技术的发展，欧美发达国家开始将中阶梯光栅光谱仪应用于天文、地矿、化工、冶金、医药、环保、农业、食品卫生、生化、商检和国防等诸多领域[4]。

　　我国于1995年研制成功了2.16m望远镜折轴阶梯分光仪，该仪器是我国首次研制的大型中阶梯光栅光谱仪器，配备于北京天文台兴隆观测基地2.16m望远镜，为我国天文界开展高分辨率光谱研究提供了有效的手段。但是，由于其结构相对复杂，光学装调难度大，成本高，尚无法进入商业领域。在民用方面，国内对中阶梯光栅光谱仪器的研究、开发和应用相对滞后。近几年，中科院长春光机所在中小型中阶梯光栅光谱仪的研发和产品化方面做了一些工作。本文就小型化中阶梯光栅光谱仪的光学系统进行了模拟与性能分析，建立了满足设计要求的光学模型，为中阶梯光栅光谱仪的研制提供了理论基础与设计参考。

　　2　中阶梯光栅光谱仪工作原理

　　中阶梯光栅光谱仪的光学系统结构如图1所示。它由入射针孔、准直镜、中阶梯光栅、反射棱镜、聚焦镜和面阵CCD组成，光学系统采用Czer-ney-Turner(C-T)结构形式，是最广泛应用的单色器结构形式之一。该结构简单紧凑，无移动部件，光学器件少，入射光和出射光夹角为定值，有利于后端调试和标定，并且通过调整各部件的相对位置，可以有效控制像差及获得二维平像场。C-T结构有U型和Z型(交叉束)两种形式。交叉束结构有利于缩小仪器体积，降低杂散光，但是，在消除像差方面不如U型结构有利[5]，因此，本文选择了U型C-T结构形式。