Optical design of grating spectrograph for solar CO 4.66 μm spectrum observation

WEI Ye-yan; BAI Xian-yong; ZHANG Zhi-yong; FENG Zhi-wei; SONG Qian

doi:10.37188/OPE.20212909.2009

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Optical design of grating spectrograph for solar CO 4.66 μm spectrum observation

Modern Applied Optics | 更新时间：2026-09-12

- Optical design of grating spectrograph for solar CO 4.66 μm spectrum observation
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 9, Pages: 2009-2018(2021)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院国家天文台，北京 100101
  2.中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
  3.中国科学院国家天文台天文光学重点实验室，北京 100101
  4.中国科学院国家天文台太阳活动重点实验室，北京 100101
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212909.2009
  CLC： TH744.1
- Received：20 January 2021，
  
  Revised：2021-03-03，
  
  Published：15 September 2021
- 稿件说明：
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魏烨艳,白先勇,张志勇等.太阳CO 4.66 μm光栅光谱仪的光学设计[J].光学精密工程,2021,29(09):2009-2018.

WEI Ye-yan,BAI Xian-yong,ZHANG Zhi-yong,et al.Optical design of grating spectrograph for solar CO 4.66 μm spectrum observation[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2009-2018.
魏烨艳,白先勇,张志勇等.太阳CO 4.66 μm光栅光谱仪的光学设计[J].光学精密工程,2021,29(09):2009-2018. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2009.

WEI Ye-yan,BAI Xian-yong,ZHANG Zhi-yong,et al.Optical design of grating spectrograph for solar CO 4.66 μm spectrum observation[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2009-2018. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2009.

摘要

为了实现对太阳中红外光谱CO 4.66 μm波段的观测，设计了一台光谱中心波长为4.667 μm的高分辨中红外光谱仪。基于科学观测需求分析了光谱仪的技术指标，为降低红外仪器的背景辐射，光谱仪整体置于真空制冷环境中；为达到高分辨率的观测需求，采用中阶梯光栅作为分光器件；为获得更优的像质，同时达到压缩光路的目的，光谱仪采用李特洛结构与离轴三反消像散技术相结合的光学设计，离轴三反同时承担了光谱仪中准直和成像的功能。在同轴三反系统的几何光学成像理论的基础上，研究了同轴三反结构、离轴三反结构以及光谱仪结构的求解和设计优化方法。光谱仪的焦距为1 300 mm，数值孔径为0.035，视场为20.3'×0.158'，系统的整体尺寸小于700 mm。结果表明，在工作波段范围内，光谱仪点列图的均方根直径小于5 μm，能量集中于一个像元尺寸范围内，光谱仪系统设计结果满足要求。

Abstract

To meet the requirements of the solar mid-infrared spectral band CO 4.66-μm spectrum observations， a high-resolution mid-infrared spectrograph with a 4.667-μm central wavelength was designed. First， the technical indicators were studied based on the requirements of the scientific observations that have to be made. The entire spectrograph was put in a vacuum liquid-nitrogen refrigeration vessel to reduce the background radiation from the infrared equipment. An echelle is used in the spectrograph as a spectrum splitter to increase the observation resolution. The optical configuration of the spectrograph uses a creative structure by combining the Littrow structure and the Three-Mirror Anastigmatic （TMA） technology. Such a structure provides better imaging quality and optical path compression. In addition， the TMA structure has dual functions， as the collimating and imaging optical paths. The design and optimization methods of the coaxial three-mirror structure， TMA structure， and spectrograph structure were also studied based on the coaxial three-mirror system's geometrical optical imaging theory. The designed spectrograph has a size of less than 700 mm， a focal length of 1 300 mm， a numerical aperture of 0.035， and a field of view of 20.3'×0.158'. The imaging quality of the spectrograph system was evaluated， with results indicating that， within the working wavelength， the root-mean-square diameter of the spot diagram is less than 5 μm， and the energy focuses on one pixel. Therefore， the spectrograph meets the design requirements.

关键词

Keywords

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UITENBROEK H ， NOYES R W ， RABIN D . Imaging spectroscopy of the solar CO lines at 4.67 microns ［J］. The Astrophysical Journal Letters ， 1994 ， 432 ： L67 . doi: 10.1086/187513 http://dx.doi.org/10.1086/187513

SOLANKI S K ， LIVINGSTON W ， MUGLACH K ， et al . The beat of the solar chromosphere's cold heart ［J］. Astronomy and Astrophysics ， 1996 ， 315 （ 1 ）： 303 - 311 .

SOLANKI S K ， LIVINGSTON W ， AYRES T . New light on the heart of darkness of the solar chromosphere ［J］. Science ， 1994 ， 263 （ 5143 ）： 64 - 66 . doi: 10.1126/science.263.5143.64 http://dx.doi.org/10.1126/science.263.5143.64

AYRES T R . Does the Sun have a full-time COmosphere？［J］. The Astrophysical Journal Letters ， 2002 ， 575 （ 2 ）： 1104 - 1115 . doi: 10.1086/341428 http://dx.doi.org/10.1086/341428

PLYMATE C L . Above limb imaging of the 4 .7-micron fundamental rotation-vibration CO lines［C］. American Astronomical Society Meeting 204， Bulletin of the American Astronomical Society ， 2004， 36 ： 819 .

KEITH PIERCE A . The McMath solar telescope of kitt peak national observatory ［J］. Applied Optics ， 1964 ， 3 （ 12 ）： 1337 - 1346 . doi: 10.1364/ao.3.001337 http://dx.doi.org/10.1364/ao.3.001337

HALL D N B ， NOYES R W ， AYRES T R . The identification of 13 C 16 O in the infrared sunspot spectrum and the determination of the solar 12 C/ 13 C abundance ratio ［J］. The Astrophysical Journal Letters ， 1972 ， 171 ： 615 . doi: 10.1086/151316 http://dx.doi.org/10.1086/151316

AYRES T R ， TESTERMAN L ， BRAULT J W . Fourier transform spectrometer observations of solar carbon monoxide. II - Simultaneous cospatial measurements of the fundamental and first-overtone bands， and CA II K， in quiet and active regions ［J］. The Astrophysical Journal Letters ， 1986 ， 304 ： 542 . doi: 10.1086/164189 http://dx.doi.org/10.1086/164189

AYRES T R . Stellar and circumstellar astrophysics： COmospheres and Coronae ［C］. Astronomical Society of the Pacific Conference Series ， 1994 ， 57 ： 124 - 136 . doi: 10.1007/10995082_54 http://dx.doi.org/10.1007/10995082_54

AYRES T R ， RABIN D . Observations of solar carbon monoxide with an imaging infrared spectrograph. I. thermal bifurcation revisited ［J］. The Astrophysical Journal Letters ， 1996 ， 460 ： 1042 . doi: 10.1086/177031 http://dx.doi.org/10.1086/177031

CAO W ， GORCEIX N ， COULTER R ， et al . Scientific instrumentation for the 1.6 m new solar telescope in big bear ［J］. Astronomische Nachrichten ， 2010 ， 331 （ 6 ）： 636 - 639 . doi: 10.1002/asna.201011390 http://dx.doi.org/10.1002/asna.201011390

YANG X ， CAO W D ， GORCEIX N ， et al . CYRA： the cryogenic infrared spectrograph for the Goode Solar Telescope in Big Bear ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 11447， Ground-Based and Airborne Instrumentation for Astronomy VIII， Online Only ， 2020 ， 1144： 11447AG. doi: 10.1117/12.2562474 http://dx.doi.org/10.1117/12.2562474

LI D ， YANG X ， BAI X Y ， et al . Doppler shift oscillations of a sunspot detected by CYRA and IRIS ［J］. Astronomy & Astrophysics ， 2020 ， 642 ： A231 . doi: 10.1051/0004-6361/202039007 http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202039007

KUHN J R ， SCHOLL I F ， MICKEY D L . Solar dark matter and dark energy： how can cryoNIRSP help？［C］ ATST-EAST Meeting ： Magnetic Fields from the Photosphere to the Corona ， 2012 ， 463 ： 207 .

魏烨艳，白先勇，张志勇，等 . 太阳CO 4.6微米红外成像观测［J］. 影像科学与光化学， 2020 ， 38 （ 3 ）： 424 - 429 . doi: 10.7517/issn.1674-0475.191106 http://dx.doi.org/10.7517/issn.1674-0475.191106

WEI Y Y ， BAI X Y ， ZHANG ZH Y ， et al . The solar CO 4.6 μm infrared imaging observation ［J］. Imaging Science and Photochemistry ， 2020 ， 38 （ 3 ）： 424 - 429 . （in Chinese） . doi: 10.7517/issn.1674-0475.191106 http://dx.doi.org/10.7517/issn.1674-0475.191106

WALLACE L ， HINKLE K ， LIVINGSTON W C . Sunspot umbral spectra in the regions 1925 to 2226 and 2392 to 3480 cm - 1 （2.87 to 4 . 18 and 4 .48 to 5.35μm）［G］. University of Michigan Library ， 2002.

冯志伟，杨潇，白先勇，等 . 用于天文成像探测的IRFPA性能参数测试［J］. 影像科学与光化学， 2017 ， 35 （ 2 ）： 140 - 146 . doi: 10.7517/j.issn.1674-0475.2017.02.140 http://dx.doi.org/10.7517/j.issn.1674-0475.2017.02.140

FENG ZH W ， YANG X ， BAI X Y ， et al . Performance parameter test of IRFPA used in astronomy imaging detection ［J］. Imaging Science and Photochemistry ， 2017 ， 35 （ 2 ）： 140 - 146 . （in Chinese） . doi: 10.7517/j.issn.1674-0475.2017.02.140 http://dx.doi.org/10.7517/j.issn.1674-0475.2017.02.140

SCHROEDER D J ， HILLIARD R L . Echelle efficiencies： theory and experiment ［J］. Applied Optics ， 1980 ， 19 （ 16 ）： 2833 - 2841 . doi: 10.1364/ao.19.002833 http://dx.doi.org/10.1364/ao.19.002833

武旭华，朱永田，王磊 . 高分辨率阶梯光栅光谱仪的光学设计［J］. 光学精密工程， 2003 ， 11 （ 5 ）： 442 - 447 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2003.05.004 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2003.05.004

WU X H ， ZHU Y T ， WANG L . Optical design of high resolution echelle spectrograph ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2003 ， 11 （ 5 ）： 442 - 447 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2003.05.004 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2003.05.004

唐玉国，宋楠，巴音贺希格，等 . 中阶梯光栅光谱仪的光学设计［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 9 ）： 1989 - 1995 .

TANG Y G ， SONG N ， BAYANHESHIG ， et al . Optical design of cross-dispersed echelle spectrograph ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 9 ）： 1989 - 1995 . （in Chinese）

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 http://dx.doi.org/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 http://dx.doi.org/10.3788/aos201838.1105002

吴国安 . 光谱仪器设计［M］. 北京：科学出版社， 1978 ： 196 - 198 .

WU G A . Spectral Instrument Design ［M］. Beijing ： Science Press ， 1978 ： 196 - 198 . （in Chinese）

陈伟，薛闯 . 用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计［J］. 光子学报， 2013 ， 42 （ 8 ）： 950 - 955 .

CHEN W ， XUE CH . Design of wide field-of-view off-axis three-mirror telescope for imaging spectrometer ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2013 ， 42 （ 8 ）： 950 - 955 . （in Chinese）

李欢，向阳 . 成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计［J］. 红外与激光工程， 2009 ， 38 （ 3 ）： 500 - 504 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2009.03.028 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2009.03.028

LI H ， XIANG Y . Optical design of off-axis three-mirror telescope systems of imaging spectrometers ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2009 ， 38 （ 3 ）： 500 - 504 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2009.03.028 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2009.03.028

刘强，王欣，黄庚华，等 . 大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计［J］. 光子学报， 2019 ， 48 （ 3 ）： 0322002 . doi: 10.3788/gzxb20194803.0322002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20194803.0322002

LIU Q ， WANG X ， HUANG G H ， et al . Optical design of wide field view and large relative aperture off-axis three-mirror reflective system with tilted optical axis ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2019 ， 48 （ 3 ）： 0322002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20194803.0322002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20194803.0322002

马睿哲，王春亮，陈长征，等 . 太阳Hα空间光谱仪光学设计［J］. 中国科学：物理学力学天文学， 2020 ， 50 （ 4 ）： 152 - 160 . doi: 10.1360/sspma-2019-0102 http://dx.doi.org/10.1360/sspma-2019-0102

MA R ZH ， WANG CH L ， CHEN CH ZH ， et al . Optical design of solar Hα space telescope ［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica & Astronomica）， 2020 ， 50 （ 4 ）： 152 - 160 . （in Chinese） . doi: 10.1360/sspma-2019-0102 http://dx.doi.org/10.1360/sspma-2019-0102

潘君骅 . 光学非球面的设计、加工和检验［M］. 苏州：苏州大学出版社， 2004 ： 130 - 138 . doi: 10.52687/2582-1474/312 http://dx.doi.org/10.52687/2582-1474/312

PAN J H . Fabrication and Testing of Optical Asphere ［M］. Suzhou ： Suzhou University Press ， 2004 ： 130 - 138 . （in Chinese） . doi: 10.52687/2582-1474/312 http://dx.doi.org/10.52687/2582-1474/312

赵文才 . 改进的离轴三反光学系统的设计［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 12 ）： 2837 - 2843 . doi: 10.3788/ope.20111912.2837 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111912.2837

ZHAO W C . Design of improved off-axial TMA optical systems ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2011 ， 19 （ 12 ）： 2837 - 2843 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20111912.2837 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111912.2837

O'SHEA D C ， BENTLEY J L . Designing Optics Using CODE V ［M］. Washington ： SPIE ， 2018 . doi: 10.1117/3.2319322 http://dx.doi.org/10.1117/3.2319322

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