一种线性色散组合棱镜分光器件制造技术

本发明专利技术公开了一种线性色散组合棱镜分光器件，由两块特殊选材、侧面镀膜的棱镜按照“底面相贴，镀膜面相对”的方式组合而成，特别适用于光谱分析、光谱检测及其相关领域。该发明专利技术基于控制变量法和微分方程思想，依据第一块棱镜材料的色散特性，通过控制光线的传播方向、棱镜的形状，利用第二块棱镜的非线性色散对第一块棱镜的非线性色散进行补偿，得到线性色散组合棱镜分光器件。该组合棱镜克服了单个棱镜色散非线性的缺陷，具有自由光谱范围宽、光能利用率高、通用性好、结构简单、价格低廉等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种线性色散组合棱镜分光器件
本专利技术涉及一种棱镜分光器件，具体涉及一种线性色散组合棱镜分光器件，它是两块特殊选材、侧面镀膜的棱镜按照“底面相贴，镀膜面相对”方式组合而成的组合棱镜，适用于光谱检测、分析等相关领域。
技术介绍
首先必须明确这样一个概念，材料的色散是由于其折射率为波长的函数所引起的。当材料的折射率是波长的一次函数时，材料具有线性色散特性；当材料的折射率是波长的高次函数时，材料具有非线性色散特性。棱镜的色散特性由光线经棱镜出射后偏折角随波长的变化关系表征，若偏折角是波长的一次函数，则棱镜线性色散，若偏折角是波长的高次函数，则棱镜非线性色散。三角棱镜作为最常用的分光器件具有自由光谱范围宽、结构简单、通光量大、能量利用率高的优点，被广泛用于摄谱仪、分光光谱仪等仪器中。棱镜作为分光器件也很早被用于卫星载荷，例如意大利航天局的PRISMA、机载成像光谱仪APEX等【1】。三角棱镜的角色散率表达式如(1)式所示，式中α表示三角棱镜的顶角，θ表示出射光线的偏折角，n表示材料的折射率，三角棱镜的角色散率取决于棱镜材料的折射率和三角棱镜的顶角。介质折射率随波长的增加而减小的关系称为正常色散，文献中描述材料的色散常数公式如(2)式所示【2】，其中n代表材料的折射率，λ代表波长，A、B、C、D是常数。材料的折射率是波长的高次函数，导致(1)式所决定的棱镜角色散率亦是波长的高次函数。因此，三角棱镜在成像光学系统中会给系统带来色差，降低系统的分辨率。PRISMA和APEX光谱仪中，棱镜分光的后光路都采用复杂的透镜组以校正非线性色散带来的色差。为了克服传统棱镜色散非线性的缺陷，20世纪90年代，提出使用改进的Fery棱镜代替传统棱镜。文献【3】详细分析了Fery棱镜的色散特性，其角色散率取决于材料的折射率和光线在球面入射点及出射点处切线的夹角。中国科学院光电研究院、中国科学院长春光学与精密机械研究所、苏州大学等单位对Fery棱镜的分光特性都做了深入的研究【4,5】，理论上，通过控制入射光线的角度，可以用两个曲面校正棱镜的非线性色散。但根据相关单位的研究结果，Fery棱镜仅在理论上能实现线性分光。中科院光电研究院2012年研制的基于曲面Fery棱镜的宽视场推帚式高光谱成像仪，采用Fery棱镜和Offner中继结构相结合的成像设计，其在可见短波范围的分辨率也仅仅达到了25nm【6】，反映了Fery棱镜的非线性色散依然严重。第二种克服棱镜色散非线性缺陷的方法是设计复杂的光学系统，目前已经成型了较为成熟的设计方案——离轴全球面成像光学系统(OASIS)，文献【7】对OASIS系统做了详细的分析。上海技术物理研究所为“天宫一号”研制的空间遥感短波红外成像光谱仪采用了OASIS系统，虽然运用了复杂的光学系统，系统平均光谱分辨率仅仅达到了24nm【8】，反映了OASIS系统色散的非线性缺陷依然没有得到较好改善。上述三种现有技术的缺点主要体现在以下几个方面：一、对三角棱镜而言，材料的折射率随波长的非线性变化致使三角棱镜的角色散率呈现严重的非线性，短波(400nm)部分的角色散率是长波(1000nm)部分角色散率的几十倍到数百倍；二、Fery棱镜在理论上可以实现线性色散，但在实际中Fery棱镜短波部分(400nm)的角色散率是长波(1000nm)部分角色散率的10倍以上，此外Fery棱镜的分光效果受制于加工精度，实际加工难度大，关键参数难于控制；三、对于校正棱镜非线性色散的OASIS系统，运用离轴系统，提高了系统加工的难度和成本，增加了系统装调的难度，同时系统的非线性色散依然严重。以上所涉及的参考文献如下：【1】魏儒义,“时间调制傅里叶变换红外光谱成像技术与应用研究”.中国科学院大学硕士学位论文,2013.05【2】MichaelBass,CasimerDocusatis,JayEnoch等，Handbookofoptics(thefourthedition),America:McGraw-Hillprofessional,2009【3】TakeshiNamioka,Theoryoftheellipsoidalconcavegrating.JournaloftheopticalsocietyofAmerican,Vol51,No.1,Jan,1961【4】刘力,Fery棱镜特性及应用研究，苏州大学硕士论文,2013.05【5】杨晋,光谱成像仪同心光学系统设计与优化研究,中国科学院大学硕士学位论文,2012.05【6】聂云峰、相里斌、周瑾松等,“基于曲面棱镜的宽视场推帚式高光谱成像仪设计”[J].光谱学与光谱分析，2012,32(6):1708-1711【7】LOBBD.Imagingspectrometersusingconcentricoptics[C].SPIE,1997,3118:342-347【8】王欣、丁学专、杨波等,“棱镜分光光谱仪的光学系统设计及光谱特性计算”[J].光子学报,2010,39(7):1334-1339
技术实现思路
如何满足光谱分析、检测与成像系统对线性色散棱镜的需求，克服已有技术不能完全校正棱镜非线性色散问题，乃是本专利技术所要解决的技术问题。因此本专利技术的目的在于提供一种线性色散组合棱镜分光器件，以满足光谱分析、检测、成像对线性色散棱镜的需求。本专利技术为实现上述功能，所使用的技术方案为：使用两块三角棱镜，控制光线在组合棱镜中的逆向传播引入“减法”，用第二块棱镜的非线性色散对第一块棱镜的非线性色散进行补偿，消除色散的非线性部分，通过求解附加约束条件的微分方程确定棱镜参数，得到线性色散组合棱镜，最后根据工程需要将三角棱镜“剪裁”成需要的形状。具体步骤如下：第一步选材，公式(2)所描述的材料的折射率可以分为两部分，线性部分n1(λ)和非线性部分Δn2(λ2，λ3，...)，如公式(3)所示，折射率的线性部分是指折射率表达式中的常数项和波长的一次项，折射率的非线性部分是指折射率表达式中波长的高次项，选材时需要满足：在所选用波长范围，描述棱镜材料的色散常数公式(2)中，上棱镜1与下棱镜2的第二个系数B相差小于百分之二，上棱镜1的与下棱镜2的第三个系数C相差小于百分之二十。其次将三角棱镜的一个侧面镀内反射膜，并按照说明书附图的方式进行组合，实现光线的逆向传播，引入减法，用下棱镜2的非线性色散对上棱镜1的非线性色散进行补偿，消除色散的非线性部分；第三步，推导组合棱镜的角色散率表达式，求解线性色散所约束的微分方程的解，确定棱镜的形状，光线的入射方向等参数，从而获得线性色散组合棱镜。角色散率公式的推导过程以及棱镜的形状、入射光线的确定参考说明书附图1进行说明，图中i11、i12分别是光线的入射角和第一面的折射角，i21、i22分别是光线在第二面的入射角和反射角，i31、i32分别是光线在第三面的入射角和折射角，i41、i42分别是光线在第四面的入射角和反射角，i51、i52分别是光线在第五面的入射角和折射角，材料1的折射率为n1，材料2的折射率为n2，图1中的虚线表示三角棱镜被“剪裁”掉的部分，组合棱镜的各参数求解过程如下所述。符号规则：δ表示经过两个折射棱镜之后出射光线与入射光线的偏向角。其正负规定为，有入射光线以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线性色散组合棱镜分光器件，它由上棱镜(1)、下棱镜(2)组成，其特征在于：所述的上棱镜(1)和下棱镜(2)各有一个侧面镀内反射膜，反射膜为铝膜、银膜或金膜，上棱镜(1)、下棱镜(2)按照“底面相贴，镀膜面相对”的方式组合而成，以设计角度入射的宽谱平行光，经上棱镜(1)、下棱镜(2)组成的组合棱镜，出射光发生线性色散，即出射光的偏折角随波长线性变化。

【技术特征摘要】
2014.12.09 CN 20141074855161.一种线性色散组合棱镜分光器件，它由上棱镜(1)、下棱镜(2)组成，其特征在于：所述的上棱镜(1)和下棱镜(2)各有一个侧面镀内反射膜，反射膜为铝膜、银膜或金膜，上棱镜(1)、下棱镜(2)按照“底面相贴，镀膜面相对”的方式组合而成，以设计角度入射的宽谱平行光，经上棱镜(1)、下棱镜(2)组成的组合棱镜，出射光发生线性色散，即出射光的偏折角随波长线性变化；所述的棱镜材料色散常数的公式为其中n代表材料的折射率，λ代表波长，A、B、C、D是常数，上棱镜(1)与下棱镜(2)在选材时需满足：在所选用波长范围，上棱镜(1)与下棱镜(2)的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志平，杨秋杰，舒嵘，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31