一种双入射狭缝光谱仪的设计方法以及双入射狭缝光谱仪技术

本发明专利技术公开了一种双入射狭缝光谱仪的设计方法以及双入射狭缝光谱仪，使用凹面光栅、两个入射狭缝和两个光探测器搭建光谱仪，包括以下步骤：1)确定第一入射狭缝的入射角以及凹面光栅的槽型周期；2)估算凹面光栅的闪耀角，确定凹面光栅的表面材料和槽型结构；3)估算入射角范围；获取入射角度为θA1时和分布在入射角范围内的多个角度下凹面光栅的波长-衍射效率曲线；4)确定入射角θA2的值以及波长λ2和λ3的值；5)得到记录结构参数以及使用结构参数；6)确定凹面光栅的制作参数；7)确定两个入射狭缝和两个光探测器相对于凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。本发明专利技术的设计方法得到的光谱仪，能提高大部分光谱区域内的衍射效率。

【技术实现步骤摘要】
一种双入射狭缝光谱仪的设计方法以及双入射狭缝光谱仪 【
】 本专利技术涉及光谱仪的设计方法，特别是涉及一种使用凹面光栅的双入射狭缝光谱 仪的设计方法以及双入射狭缝光谱仪。 【
技术介绍
】 近年来，由于环境检测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等一些 需要现场实时测试的应用领域的现代化发展，实验室中的大型光谱仪器已难以满足上述实 际使用要求。开发便携式小型光谱仪器产品具有重要的实际意义以及广阔的市场前景。现 有小型光谱仪中，有使用凹面光栅进行搭建的光谱仪，通常包括凹面光栅、一个入射狭缝和 多个探测器。通过对凹面光栅的制作参数、入射狭缝的入射角度以及各器件之间的相对位 置进行设计调整，从而搭建光谱仪，实现在某一波段范围内的光波检测。然而，现有的设计 方法下搭建的光谱仪，虽然能实现宽光谱区域的光波检测，但在部分光谱区域内对应的衍 射效率却较低，无法满足高要求的应用。 【
技术实现思路
】 本专利技术所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种双入射狭缝 光谱仪的设计方法及双入射狭缝光谱仪，在大部分光谱区域内具有较高的衍射效率，整体 衍射效率较高。 本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决： -种双入射狭缝光谱仪的设计方法，通过设计，使用凹面光栅、两个入射狭缝和两 个光探测器搭建光谱仪，且所述光谱仪的光谱检测范围为λ 4;所述设计方法包括以 下步骤：1)根据所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法计算得到在单一入 射狭缝时的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期，将得到的入射角度 值作为第一入射狭缝的入射角Θ Α1的值；2)估算所述凹面光栅的闪耀角，确定所述凹面光 栅的表面材料和槽型结构；3)根据光谱闪耀条件，确定出与入射角度Θ Α1满足同一闪耀角 下的光谱闪耀条件的入射角范围，将该入射角范围作为第二入射狭缝的入射角ΘΑ2的范 围，闪耀角的值取所述步骤2)估算的闪耀角的值；获取入射角度为Θ A1时所述凹面光栅的 波长-衍射效率曲线，以及分布在所述第二入射狭缝的入射角范围内的多个角度下所述凹 面光栅的波长-衍射效率曲线；4)根据步骤3)得到的多个入射角度下的波长-衍射效率 曲线确定一个角度作为第二入射狭缝的入射角θ A2的值；根据角度为Θ A1时的波长-衍射 效率曲线和ΘΑ2角度下的波长-衍射效率曲线的对比，确定波长\ 2和λ3的值；5)根据得 到的两个入射角ΘΑ1、ΘΑ2的值，四个波长λ 2、λ3、入4的值以及所述光谱仪的固定结 构参数，基于光程函数级数展开法，使用光学设计软件ZEMAX软件进行参数优化，得到记录 结构参数以及使用结构参数；6)根据步骤1)中的凹面光栅的槽型周期，步骤2)的凹面光 栅的闪耀角、表面材料和槽型结构以及步骤5)得到的记录结构参数确定所述凹面光栅的 制作参数，得到满足应用的凹面光栅；7)根据步骤5)得到的使用结构参数，确定两个入射 狭缝和两个光探测器相对于所述凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。 -种双入射狭缝光谱仪，包括凹面光栅、两个入射狭缝和两个光探测器，所述凹面 光栅的制作参数以及两个入射狭缝和两个光探测器相对于所述凹面光栅的位置根据如上 所述的设计方法确定得到。 本专利技术与现有技术对比的有益效果是： 本专利技术的双入射狭缝光谱仪的设计方法，先确定单一入射角度值，然后通过各波 长在角度ΘΑ1下的衍射效率以及估算的ΘΑ2的角度范围内的衍射效率情况，确定另外一个 入射角度以及光谱检测区域（λ λ 4)内的波段截止点λ 2和λ 3，进而根据确定的两个入 射角度和四个波长值进行光学设计，得到记录结构参数和使用结构参数，进而确定凹面光 栅的结构以及凹面光栅与两个入射狭缝、两个光探测器之间的相对位置，搭建得到光谱仪。 该搭建的光谱仪能实现预期目标，检测λ 4范围内的光波。光谱仪通过双入射狭缝实 现双角度入射，从而实现双波长闪耀，相对于现有的光谱仪仅能实现一个闪耀波长，本专利技术 设计的光谱仪在使用大角度入射的入射狭缝时，其闪耀波长相比小角度入射的入射狭缝会 向短波部分移动，从而实现在两个不同的入射角下有两个不同的闪耀波长，从而提高衍射 效率，相对于现有的光谱仪，可提高大部分光谱区域的衍射效率，且衍射效率高达〇. 4的波 段区域占整个光波检测范围的比例也有所提高（达81. 9%以上）。 【【附图说明】】 图1是本专利技术【具体实施方式】的双入射狭缝光谱仪的光路结构示意图； 图2是本专利技术【具体实施方式】的双入射狭缝光谱仪设计方法的流程图； 图3是本专利技术【具体实施方式】中设计时步骤Ρ3)中在入射角度ΘΑ1时得到的波 长-衍射效率曲线图； 图4是专利技术【具体实施方式】中新结构的光谱仪与普通光谱仪在各波长处的衍射效 率对比示意图。 【【具体实施方式】】 下面结合【具体实施方式】并对照附图对本专利技术做进一步详细说明。 如图1所示，为本【具体实施方式】要设计的双入射狭缝光谱仪的光路结构示意图。 光谱仪包括两个入射狭缝、凹面光栅和两个光探测器。光探测器优选的可以采用光电倍增 管、热电探测器、半导体光探测器或者CCD(Charge-coupled Device，电荷稱合器件）阵列 探测器，但并非限制于这几种。图1中，ApA2为入射狭缝，ΒΛ3/Β2'为光探测器。以凹面 光栅G的中心0点为坐标原点建立坐标系，依光的传播方向，在光路上依次设置入射狭缝、 凹面光栅G和光探测器。凹面光栅G的参数以及入射狭缝、光探测器的位置通过如下设计 方法设计得到，从而搭建出能够检测波长范围在λ 4的光波的凹面光栅光谱仪。经设 计搭建，第一入射狭缝4经凹面光栅G汇聚分光后出射的光线照射到光探测器Β/ Β2'上， 波长范围为λ3?λ4;第二入射狭缝Α2经凹面光栅G汇聚分光后出射的光线照射到光探测 器BiB 2上，波长范围为λ2，其中，入1< λ2< λ3<入4。 设计方法的流程图如图2所示，包括以下步骤： Ρ1)确定第一入射狭缝的入射角以及凹面光栅的槽型周期。具体地，根据光谱仪的 固定结构参数，基于光程函数级数展开法计算得到在单一入射狭缝时的入射角度值和所述 入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期，将得到的入射角度值作为第一入射狭缝的入射角 Θ A1的值。 当需要搭建光谱仪时，其固定结构参数，例如光谱检测范围值，选用的凹面光栅的 曝光波长、工作级次、边长、基底曲率半径、光栅常数，选用的两个入射狭缝的宽度等固有属 性参数是已知的。根据固定结构参数，使用光程函数级数展开法即可计算得到光栅在单一 入射狭缝时的入射角度，并可同时得到所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期。将该 计算的入射角度作为第一入射狭缝的入射角Θ Α1的值。本具体实施例中，光谱仪的固定结 构参数如下表1所示： 表 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双入射狭缝光谱仪的设计方法，其特征在于：通过设计，使用凹面光栅、两个入射狭缝和两个光探测器搭建光谱仪，且所述光谱仪的光谱检测范围为λ1～λ4；所述设计方法包括以下步骤：1)根据所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法计算得到在单一入射狭缝时的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期，将得到的入射角度值作为第一入射狭缝的入射角θA1的值；2)估算所述凹面光栅的闪耀角，确定所述凹面光栅的表面材料和槽型结构；3)根据光谱闪耀条件，确定出与入射角度θA1满足同一闪耀角下的光谱闪耀条件的入射角范围，将该入射角范围作为第二入射狭缝的入射角θA2的范围，闪耀角的值取所述步骤2)估算的闪耀角的值；获取入射角度为θA1时所述凹面光栅的波长‑衍射效率曲线，以及分布在所述第二入射狭缝的入射角范围内的多个角度下所述凹面光栅的波长‑衍射效率曲线；4)根据步骤3)得到的多个入射角度下的波长‑衍射效率曲线确定一个角度作为第二入射狭缝的入射角θA2的值；根据角度为θA1时的波长‑衍射效率曲线和θA2角度下的波长‑衍射效率曲线的对比，确定波长λ2和λ3的值；5)根据得到的两个入射角θA1、θA2的值，四个波长λ1、λ2、λ3、λ4的值以及所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法，使用光学设计软件ZEMAX软件进行参数优化，得到记录结构参数以及使用结构参数；6)根据步骤1)中的凹面光栅的槽型周期，步骤2)的凹面光栅的闪耀角、表面材料和槽型结构以及步骤5)得到的记录结构参数确定所述凹面光栅的制作参数，得到满足应用的凹面光栅；7)根据步骤5)得到的使用结构参数，确定两个入射狭缝和两个光探测器相对于所述凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。...

【技术特征摘要】
1. 一种双入射狭缝光谱仪的设计方法，其特征在于：通过设计，使用凹面光栅、两个入 射狭缝和两个光探测器搭建光谱仪，且所述光谱仪的光谱检测范围为λ 4;所述设计 方法包括以下步骤： 1) 根据所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法计算得到在单一入射狭 缝时的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期，将得到的入射角度值作 为第一入射狭缝的入射角Θ A1的值； 2) 估算所述凹面光栅的闪耀角，确定所述凹面光栅的表面材料和槽型结构； 3) 根据光谱闪耀条件，确定出与入射角度ΘΑ1满足同一闪耀角下的光谱闪耀条件的入 射角范围，将该入射角范围作为第二入射狭缝的入射角Θ Α2的范围，闪耀角的值取所述步 骤2)估算的闪耀角的值；获取入射角度为Θ A1时所述凹面光栅的波长-衍射效率曲线，以 及分布在所述第二入射狭缝的入射角范围内的多个角度下所述凹面光栅的波长-衍射效 率曲线； 4) 根据步骤3)得到的多个入射角度下的波长-衍射效率曲线确定一个角度作为第二 入射狭缝的入射角ΘΑ2的值；根据角度为Θ Α1时的波长-衍射效率曲线和ΘΑ2角度下的波 长-衍射效率曲线的对比，确定波长\ 2和λ3的值； 5) 根据得到的两个入射角θ Α1、θ Α2的值，四个波长λ ^ λ 2、λ 3、λ 4的值以及所述光 谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法，使用光学设计软件ZEMAX软件进行参数 优化，得到记录结构参数以及使用结构参数； 6) 根据步骤1)中的凹面光栅的槽型周期，步骤2)的凹面光栅的闪耀角、表面材料和槽 型结构以及步骤5)得到的记录结构参数确定所述凹面光栅的制作参数，得到满足应用的 凹面光栅； 7) 根据步骤5)得到的使用结构参数，确定两个入射狭缝和两个光探测器相对于所述 凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。2. 根据权利要求1所述的双入射狭缝光谱仪的设计方法，其特征在于：所述步骤4) 中，对比步骤3)中的多个角度下的波长-衍射效率曲线，取使得整个光谱检测范围内的短 波段范围内衍射效率的平均值相对较高、方差相对较小时一个角度作为第二入射狭缝的入 射角Θ Α2值；然后，对比入射角ΘΑ1和入射角ΘΑ2下的波长-衍射效率曲线，寻找相同波长 处衍射效率也相等时的波长λ χ，取λ2 = λ3 = λχ。3. 根据权利要求1所述的双入射狭缝光谱仪的设计方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪凯，周倩，逄锦超，张锦超，田瑞，许明飞，董昊，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44