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抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计

苏渤皓 刘建利 王玮 巴音贺希格

苏渤皓, 刘建利, 王玮, 巴音贺希格. 抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0140
引用本文: 苏渤皓, 刘建利, 王玮, 巴音贺希格. 抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0140
SU Bo-hao, LIU Jian-li, WANG Wei, BAYANHESHIG. Design of a paraboloid-prism echelle spectrometer[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0140
Citation: SU Bo-hao, LIU Jian-li, WANG Wei, BAYANHESHIG. Design of a paraboloid-prism echelle spectrometer[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0140

抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计

cstr: 32171.14.CO.2025-0140
基金项目: 国家重点研发计划项目(No. 2023YFF0718100,No. 2022YFB3606100);江苏省高等学校自然科学研究面上项目(No. 20KJB416003)
详细信息
    作者简介:

    苏渤皓(1999—),男,辽宁辽阳人,硕士,2022年于大连理工大学获得学士学位,2025年于中国科学院大学获得硕士学位,主要从事中阶梯光栅光谱仪研究。E-mail:subohao22@mails.ucas.ac.cn

    刘建利(1991—),男,吉林通榆人,博士,讲师,2019年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光谱仪设计及光谱数据分析研究。E-mail:liujl@yctu.edu.cn

    王 玮(1989—),男,山西大同人,博士,副研究员,2017年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事高精度光栅制备及应用相关研究工作。E-mail:wayne_lzu@163.com

    巴音贺希格(1962—),男,内蒙古鄂尔多斯人,博士,研究员,博士生导师,2004年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光栅理论、光栅设计方法、光栅制作技术、光谱成像技术及精密测量技术研究和大型高精度光栅制造专用光电设备研制工作。E-mail:bayin888@sina.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Design of a paraboloid-prism echelle spectrometer

Funds: Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2023YFF0718100, No. 2022YFB3606100); Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (No. 20KJB416003)
More Information
  • 摘要:

    针对传统中阶梯光栅光谱仪高分辨率与微型化难以兼容的技术难题,本文提出了一种紧凑型中阶梯光栅光谱仪设计方法。该设计基于交叉Czerny-Turner型光路结构,采用透射棱镜作为交叉色散元件,通过正交色散分离不同级次光谱的同时结合反向离轴抛物面聚焦镜消除棱镜引入的像差,以实现空间布局小型化。本文对中阶梯光栅及色散棱镜参数进行设计建模,并由光程像差理论分析了聚焦光路的像差特性。仿真结果表明,抛物面-棱镜型中阶梯光栅光谱仪光谱范围为450~650 nm,数值孔径为0.05,分辨率可达0.06 nm,并且在公差范围合理情况下,系统体积仅有80 mm×44 mm×18 mm。基本能够满足便携式、高精度光谱检测的使用要求。

     

  • 图 1  中阶梯光栅光谱仪光路示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of the optical path for an echelle spectrometer

    图 2  中阶梯光栅衍射示意图。(a)光栅截面内色散;(b)准Littrow模式

    Figure 2.  Schematic diagram of the echelle grating diffraction. (a) Dispersion in grating cross-section; (b) quasi-Littrow configuration

    图 3  棱镜色散示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of the prism dispersion

    图 4  棱镜像差示意图

    Figure 4.  Schematic of prism aberration

    图 5  过焦点平行光经离轴抛物面镜的像差原理图

    Figure 5.  Schematic of aberration principle for parallel light passing through the focal point via an off-axis parabolic mirror

    图 6  聚集光路示意图

    Figure 6.  Layout of focused optical path

    图 7  中阶梯光栅光谱仪优化后的光路

    Figure 7.  The optimized optical path of an echelle spectrometer

    图 8  42衍射级次下光谱仪的调制传递函数曲线

    Figure 8.  MTF curves of spectrometer at 42th diffraction order

    图 9  第35、39、42、45、49级次下中心及边缘波长的点列图

    Figure 9.  Spot diagrams for central and marginal wavelengths at 35th, 39th, 42th, 45th and 49th diffraction orders

    图 10  15个特征波长的像面坐标及狭缝几何图像仿真

    Figure 10.  Image plane coordinates of 15 characteristic wavelengths and slit geometric image simulation

    表  1  光谱仪的设计参数

    Table  1.   Parameters of the designed spectrometer

    系统参数 数值
    数值孔径 0.05
    入射狭缝 15 μm×50 μm
    光谱范围 450 nm~650 nm
    光谱级次 35th~49th
    准直镜 R = 140 mm, θ = 5°
    聚焦镜 R = 150 mm, θ = 16.7°
    中阶梯光栅 79 gr/mm, $ {\theta }_{{\mathrm{B}}} $= 63.5°, γ = 7°
    色散棱镜 Glass:H-ZF3, α =16°
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    表  2  系统公差设置明细

    Table  2.   Setting details of system tolerance

    公差类型 参数
    表面不规则度 ±0.2光圈
    曲率半径 ±2光圈
    元件/表面偏心 ±0.05 mm
    元件/表面倾斜 ±0.05 mm
    厚度 ±0.1 mm
    折射率 0.001
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    表  3  对光学性能影响最大的公差项

    Table  3.   Tolerances with greatest effect on optical performance

    类型 表面 评价函数下降
    表面不规则度 准直镜 4.9%
    元件倾斜/X 离轴抛物镜 3.82%
    表面倾斜/X 离轴抛物镜 3.81%
    曲率半径 准直镜 2.59%
    元件偏心/Y 准直镜 2.56%
    下载: 导出CSV
  • [1] AMANDA D, NICOLE M, GRUBBS G S. Low-cost, balle-flygare-type cavity Fourier transform microwave spectrometer and pure rotational spectroscopy laboratory for teaching physical chemistry and astronomy[J]. Journal of Chemical Education, 2021, 98(3): 1008-1016.
    [2] 陈瀑, 杨健, 褚小立, 等. 近五年我国近红外光谱分析技术的研究与应用进展[J]. 分析化学, 2024, 52(9): 1213-1224.

    CHEN P, YANG J, CHU X L, et al. Research and application progress of near infrared spectroscopy analytical technology in China in the past five years[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2024, 52(9): 1213-1224. (in Chinese).
    [3] 于水, 宦克为, 王磊, 等. 基于卷积神经网络的近红外光谱多组分定量分析模型研究[J]. 分析化学, 2024, 52(5): 695-705.

    YU SH, HUAN K W, WANG L, et al. Multicomponent quantitative analysis model of near infrared spectroscopy based on convolution neural network[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2024, 52(5): 695-705. (in Chinese).
    [4] 曹海霞, 赵英飞, 何淼, 等. 小型分段式高分辨率中阶梯光栅光谱仪的设计[J]. 光学学报, 2018, 38(11): 1105002. doi: 10.3788/AOS201838.1105002

    CAO H X, ZHAO Y F, HE M, et al. Design of small-size high resolution echelle grating spectrometer with divided spectral coverage[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(11): 1105002. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS201838.1105002
    [5] 任文心, 杨亮, 赵韩, 等. 激光诱导击穿光谱定量分析全血中的锂元素[J]. 分析化学, 2024, 52(4): 559-565.

    REN W X, YANG L, ZHAO H, et al. Quantitative analysis of lithium element in whole blood using laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2024, 52(4): 559-565. (in Chinese).
    [6] 谷艳红, 李凡丁, 年福东. 基于半监督度量学习的激光诱导击穿光谱检测白芍中的重金属含量[J]. 分析化学, 2025, 53(4): 669-679.

    GE C H, LIU Y J, CHEN M S, et al. Detection of heavy metal content in white peony by laser-induced breakdown spectroscopy combined with semi-supervised metric learning[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2025, 53(4): 669-679. (in Chinese).
    [7] 裴佳欢, 齐小花, 邹明强, 等. 表面增强拉曼光谱在动物源性食品兽药残留检测的研究进展[J]. 应用化学, 2024, 41(4): 459-471.

    PEI J H, QI X H, ZOU M Q, et al. Advances in surface-enhanced Raman spectroscopy for the detection of veterinary drug residues in foods of animal origin[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(4): 459-471. (in Chinese).
    [8] 陈韶云, 张行颖, 刘奔, 等. 表面增强拉曼光谱基底的种类及其应用进展[J]. 分析化学, 2024, 52(7): 910-924.

    CHEN S Y, ZHANG X Y, LIU B, et al. Classification and application of surface-enhanced Raman spectroscopy substrates[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2024, 52(7): 910-924. (in Chinese).
    [9] ACEITUNO J, SÁNCHEZ S F, GRUPP F, et al. CAFE: Calar alto fiber-fed echelle spectrograph[J]. Astronomy & Astrophysics, 2013, 552(1): A31. doi: 10.1051/0004-6361/201220361
    [10] ZHOU Y D, YIN L, SUN Y A, et al. A uniform dispersion design method for echelle spectrometer[J]. Optics Communications, 2025, 582: 131657.
    [11] FU X, DUAN F J, JIANG J J, et al. Optical design of a broadband spectrometer with compact structure based on echelle and concave gratings[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2022, 151: 106926. doi: 10.1016/j.optlaseng.2021.106926
    [12] KRAUS M, HÖNLE T, FÖRSTER E, et al. Compact double-pass echelle spectrometer employing a crossed diffraction grating[J]. Optics Express, 2022, 30(17): 31336-31353. doi: 10.1364/OE.465208
    [13] THOMAE D, HÖNLE T, KRAUS M, et al. Compact echelle spectrometer employing a cross-grating[J]. Applied Optics, 2018, 57(25): 7109-7116. doi: 10.1364/AO.57.007109
    [14] BAGUSAT V, KRAUS M, FÖRSTER E, et al. Concept and optical design of a compact cross-grating spectrometer[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2019, 36(3): 345-352. doi: 10.1364/JOSAA.36.000345
    [15] 陈少杰. 宽波段叶阶梯光栅光谱仪设计与标定方法研究[D]. 长春: 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2013.

    CHEN SH J. Method for wide spectral coverage echelle spectrograph design and clibration[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics), 2013. (in Chinese).
    [16] SCHROEDER D J. Astronomical Optics[M]. New York: Academic Press, 2000.
    [17] CHEN T A, TANG Y, ZHANG L J, et al. Correction of astigmatism and coma using analytic theory of aberrations in imaging spectrometer based on concentric off-axis dual reflector system[J]. Applied Optics, 2014, 53(4): 565-576. doi: 10.1364/AO.53.000565
    [18] HOWARD J W. Formulas for the coma and astigmatism of wedge prisms used in converging light[J]. Applied Optics, 1985, 24(23): 4265-4268. doi: 10.1364/AO.24.004265
    [19] CHANG S, PRATA A. Geometrical theory of aberrations near the axis in classical off-axis reflecting telescopes[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2005, 22(11): 2454-2464. doi: 10.1364/JOSAA.22.002454
    [20] EVERSBERG T, VOLLMANN K. Fundamentals of echelle spectroscopy[M]//EVERSBERG T, VOLLMANN K. Spectroscopic Instrumentation. Berlin, Heidelberg: Springer, 2014: 193-227.
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-11-05
  • 修回日期:  2025-11-25
  • 录用日期:  2025-12-16
  • 网络出版日期:  2025-12-30

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