超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计

孙慈; 杨晋; 朱继伟; 马婷婷; 冯树龙; 宋楠; 郭雪强; 郭汉洲

doi:10.37188/OPE.20212901.0045

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超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计

现代应用光学 | 更新时间：2021-02-04

- 超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计
- Optical design of echelle spectrometer with ultra-wide wavelength range and high resolution
- 光学精密工程 2021年29卷第1期页码：45-53
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.长春长光格瑞光电技术有限公司，吉林长春 130102
  3.长春国科医工科技发展有限公司，吉林长春 130102
- 作者简介：
  
  [ "孙　慈（1988-），女，内蒙古人，硕士，研究实习员，主要从事光谱仪器设计与开发方面的研究。E-mail：sunci1822@163.com" ]
  [ "杨　晋（1988-），男，广东惠州人，博士，助理研究员，主要从事光谱仪器开发、分光系统光学设计及杂散光等方面的研究。E-mail： yang_jin1988@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家重大科学仪器设备开发专项(2018YFF01011102);国家自然科学基金资助项目(61805240);长春市科技计划资助项目(18DY003);吉林省科技发展计划资助项目(20180201049SF;20180201123GX;20180201122GX;20200403009SF)
- DOI：10.37188/OPE.20212901.0045
  中图分类号： O433;TH744.1
- 收稿日期：2020-02-11，
  
  修回日期：2020-02-28，
  
  纸质出版日期：2021-01-15
- 稿件说明：
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孙慈,杨晋,朱继伟等.超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计[J].光学精密工程,2021,29(01):45-53.

SUN Ci,YANG Jin,ZHU Ji-wei,et al.Optical design of echelle spectrometer with ultra-wide wavelength range and high resolution[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):45-53.
孙慈,杨晋,朱继伟等.超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计[J].光学精密工程,2021,29(01):45-53. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0045.

SUN Ci,YANG Jin,ZHU Ji-wei,et al.Optical design of echelle spectrometer with ultra-wide wavelength range and high resolution[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):45-53. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0045.

摘要

为了实现超宽谱段与高分辨率特点兼具的中阶梯光栅光谱仪系统，提出了一种光路结构设计，并针对其深紫外波段的有效探测方法进行了研究及验证。该光路结构结合准Littrow结构与C-T结构的优势，保证了色散光路具备高衍射效率，同时很好地抑制了杂散光。在有限可选光学材料下，采用多重评价优化方式获得中阶梯光栅光谱仪的光学结构参数。通过加入由球透镜及柱透镜组成的校正结构，有效地校正了像差，提高了光谱分辨率。最后，针对深紫外波段探测的解决方案进行模态分析，验证了所设计方案的可行性。最终在160~1 000 nm的超宽波段范围内，成像光斑的RMS值优于12.1 µm，在257.61 nm处的光谱分辨率优于0.009 nm，能够满足超宽谱段、高分辨率检测系统的色散分光需求。

Abstract

In order to realize the echelle spectrometer system with ultra-wide wavelength range and high resolution， an optical path structure design was proposed， and the detection method of deep ultraviolet lights was studied and verified. Frist， the optical structure combined the advantages of quasi-littrow structure and C-T structure，so as to ensure the dispersing path has the characteristics of high diffraction efficiency and the stray light was well suppressed. In the limited range of optional materials，the multi-optimization method was employed to design the optical parameters. In order to correct the aberration and improve the spectral resolution， a correction structure composed of spherical and cylindrical lenses was added. Finally， a solution to the detection of deep ultraviolet lights was proposed， and the feasibility of the scheme was verified by finite element analysis. The final design results indicates that in the wavelength range of 160-1 000 nm， the imaging spot RMS value is better than 12.1 µm， the spectral resolution of 257.61 nm is better than 0.009 nm. It can meet the dispersion demand of ultra-wide wavelength range and high resolution detection system.

关键词

Keywords

references

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