结合三反消像散光学系统的中阶梯光栅光谱仪设计

作     者：张尹馨 段文浩 李婉卓 Zhang Yinxin;Duan Wenhao;Li Wanzhuo

作者机构：光电信息教育部重点实验室(天津大学)天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 光电信息控制和安全技术重点实验室天津300308 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(61505143) 国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2014YQ510403) 

出 版 物：《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》 (Journal of Tianjin University：Science and Technology)

年 卷 期：2022年第55卷第5期

页      码：519-526页

摘      要：中阶梯光栅因其具有高分辨率、高衍射级次和全谱闪耀等特性,能够实现宽波长范围内的高分辨率全谱直读,常用于天文光谱仪及高端商用光谱仪中.然而,中阶梯光栅的衍射因为级次重叠严重,需要交叉色散形成二维光谱成像于面阵探测器.使用单一成像镜的二维靶面成像很难保证像面像质均匀,进而造成全谱范围内分辨率差异大,特别是边缘波长处分辨率明显降低的问题.为解决这一难题,本文提出了一种结合三反消像散光学系统的折叠型中阶梯光栅光谱仪方案(echelle spectrometer with three-mirror anastigmat,ESTMA),以三反消像散光学系统的3面反射镜代替常规中阶梯光栅光谱仪设计中的单成像反射镜.复色光经过入射小孔后被离轴抛物面镜准直,再由中阶梯光栅色散,用反射棱镜进行交叉色散,最后由三反消像散光学系统成像于面阵探测器.设计光谱范围为200~600 nm,焦距为350 mm.设计通过Zemax光学设计软件进行仿真及优化,结果显示,相对于单成像镜设计,ESTMA方案的全谱范围内像斑大小均匀,点列图均方根半径小于1μm,全波段仿真分辨率小于30 pm.在自建的实验平台上进行验证,实验结果表明,系统在253.652 nm、365.015 nm、404.656 nm、435.833 nm、546.074 nm处的实测分辨率分别为23.42 pm、23.46 pm、27.20 pm、32.74 pm和40.92 pm,除中心波长以外的实测波长分辨率显著优于单成像反射镜设计的理论分辨率,光谱仪的分辨率整体提升.

主 题 词：中阶梯光栅光谱仪 三反消像散光学系统 交叉色散 二维谱图 

学科分类：08[工学] 0803[工学-仪器类] 

核心收录：

D　O　I：10.11784/tdxbz202102014

馆 藏 号：203108149...