第１８卷第９期 光学精密工程 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１８ ＮＯ．９ Ｓｅｐ．２Ｏ１０ ２Ｏ１０年９月 文章编号１００４—９２４Ｘ（２０１０）０９—１９８９—０７ 中阶梯光栅光谱仪的光学设计 唐玉国 ，宋 楠 ，巴音贺希格 ，崔继承 ，陈今涌 （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．中国科学院研究生院，北京１０００３９） 摘要：为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率，实现全谱直读，对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅 及中阶梯光栅光谱仪的基本原理，分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与 消像差理论设计了Ｃｚｅｒｎｅｙ－Ｔｕｒｎｅｒ结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作 在原子谱线最为密集的２［）（】～５００ ｎｒｎ波长处；为简化计算，在设计中消除了３５０ ｎｍ波长的所有像差；光线对中阶梯光栅 在准Ｌｉｔｔｒｏｗ条件下入射，以获得高衍射效率；使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次，在ＣＣＤ探测器上 获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力，在整个工作波长分辨率可达到２ ０００～１５ ０００， 满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作，通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台，仪 器的工作性能可进一步提高。 关键词：中阶梯光栅光谱仪；中阶梯光栅；光学设计；交叉色散 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１０１８０９．１９８９ 中图分类号：ＴＨ７４４．１ Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓ—ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ＴＡＮＧ Ｙｕ—ｇｕｏ ，ＳＯＮＧ Ｎａｎ ～，Ｂａｙａｎｈｅｓｈｉｇ ，ＣＵＩ Ｊｉ—ｃｈｅｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｊｉｎ—ｙｏｎｇ （１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ｉｎ ａ ｗｉｄｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ ｅｃｈｅｌｌｅ ｂａｓｅｄ ｓｐｅｃ— ｔｒｏｇｒａｐｈｓ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｃｈｅｌｌｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ａｎｄ ｃｏｍｍｏｎ ｐｌａｎｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａ ｈｉｇｈ—ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ｏｆ Ｃｚｅｒｎｅｙ—Ｔｕｒｎｅｒ （Ｃ—Ｔ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ。ａｎｄ ｉｔｓ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅｓ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｔｏ ｂｅ ２００—５００ ｎｍ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ｒａｎｇｅｓ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｓｐｅｃｔｒａ．Ｔｏ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｗｏｒｋ，ｔｈｅ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｏｆ ３５０ ｎｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｂｅａｍ ｗａｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎ— ｃｉｄｅｎｔ ｂｅａｍ ｗａｓ ｓｅｔ ｔｏ ｗｏｒｋ ａｔ ａ ｑｕａｓｉ—Ｌｉｔｔｒｏｗ ａｎｇｌｅ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｈｉｇｈ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｓ ａ ｃｒｏｓｓ— ｄｉｓｐｅｒｓｅｒ，ａ ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ ｐｒｉｓｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅｐａｒａｔｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｒｄｅｒｓ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ＣＣＤ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｆｌａｔ 收稿日期：２００９ １１—１７；修订日期：２００９—１２一ｌ１． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６０４７８０４３）；“十一五”国家科技支撑计划重大项目（Ｎｏ．２００６ＢＡＫ０３Ａ０２）； 国家创新方法工作专项项目（Ｎｏ．２００８ＩＭ０４０７００）；国家重大科研装备研制项目（Ｎｏ．ＺＢＹＺ２００８—１）；中国科学 院重大科研装备研制项目（Ｎｏ．ＹＺ２００８ｏ４）；吉林省科技发展计划资助项目（Ｎｏ．２００７０５２３、Ｎｏ．２００８６０１３） 光学精密工程 第１８卷 ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｐｏｉｎｔ—ｔＯ—ｐｏｉｎｔ ｉｍａｇｉｎｇ。ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ２ ０００—１ ５ ０００ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎ— ｇｅｓ．Ｔｈｉｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ａｉｍｅｄ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ａｔｏｍｓ，ａｎｄ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ ａｄｄｉｎｇ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｃｈｅｌｌｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｅｃｈｅｌｌｅ ｇｒａｔｉｎｇ；ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｃｒｏｓｓ—ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ １ 引 言 普通闪耀光栅用于光谱仪器时，为了避免级 次重叠只能使用低衍射级次（如一１级或一２级）。 若要实现光谱仪器高的色散率和光谱分辨率，就 需要采用高刻线密度闪耀光栅，加大成像物镜焦 距，但由此会加大仪器体积口］。在当今科学仪器 普遍向微小化、便携式和实时测量方向发展的形 势下，光谱仪器的小型化、高分辨率、快速测量及 信号接收方式等是仪器设计者必须考虑的问题。 中阶梯光栅是由美国光栅专家Ｇ．Ｒ．Ｈａｒｒｉ— ｓｏｎ于１９４９年提出的一种特殊光栅，其刻线密度 较低，具有大入射角度和高衍射级次（如几十级到 几百级），因而有很高的色散率和分辨率。中阶梯 光栅光谱仪在结构方面具有体积小、质量轻、结构 简单、无移动部件，面阵接收的特点；在性能方面 具有高色散、高分辨率、低检出限、宽波段、全波闪 耀和瞬态光谱的特点；有利于实现高度智能化和 自动化 。］，代表了先进光谱技术的发展趋势。 中阶梯光栅光谱仪在２０世纪７０年始在 天文领域率先得到应用。到８Ｏ年代，随着光栅刻 划技术的发展，世界上许多２～４ ｍ级天文望远 镜都配备了中阶梯光栅光谱仪；至２Ｏ世纪末，全 世界已有１０架配备了高分辨率中阶梯光栅光谱 仪的８～ｌＯ ｍ级光学／红外天文望远镜投入使 用。除天文应用之外，从９０年始，随着二维 阵列探测器技术，尤其是ＣＣＤ技术的发展，欧美 发达国家开始将中阶梯光栅光谱仪应用于天文、 地矿、化工、冶金、医药、环保、农业、食品卫生、生 化、商检和国防等诸多领域 ］。 我国于１９９５年研制成功了２．１６ ｍ望远镜折 轴阶梯分光仪，该仪器是我国首次研制的大型中 阶梯光栅光谱仪器，配备于北京天文台兴隆观测 基地２．１６ ｍ望远镜，为我国天文界开展高分辨 率光谱研究提供了有效的手段。但是，由于其结 构相对复杂，光学装调难度大，成本高，尚无法进 入商业领域。在民用方面，国内对中阶梯光栅光 谱仪器的研究、开发和应用相对滞后。近几年，中 科院长春光机所在中小型中阶梯光栅光谱仪的研 发和产品化方面做了一些工作。本文就小型化中 阶梯光栅光谱仪的光学系统进行了模拟与性能分 析，建立了满足设计要求的光学模型，为中阶梯光 栅光谱仪的研制提供了理论基础与设计参考。 ２ 中阶梯光栅光谱仪工作原理 中阶梯光栅光谱仪的光学系统结构如图１所 示。它由入射针孔、准直镜、中阶梯光栅、反射棱 镜、聚焦镜和面阵ＣＣＤ组成，光学系统采用Ｃｚｅｒ— ｎｅｙ—Ｔｕｒｎｅｒ（Ｃ—Ｔ）结构形式，是最广泛应用的单 色器结构形式之一。该结构简单紧凑，无移动部 件，光学器件少，入射光和出射光夹角为定值，有 利于后端调试和标定，并且通过调整各部件的相 对位置，可以有效控制像差及获得二维平像场。 Ｃ—Ｔ结构有Ｕ型和Ｚ型（交叉束）两种形式。交 叉束结构有利于缩小仪器体积，降低杂散光，但 是，在消除像差方面不如Ｕ型结构有利［５］，因此， 图１ 中阶梯光栅光谱仪基本结构 Ｆｉｇ．１ Ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ 第９期 唐玉国，等：中阶梯光栅光谱仪的光学设计 本文选择了Ｕ型Ｃ Ｔ结构形式。 由光源经针孔和准直镜得到的平行光束入射 到中阶梯光栅上进行主方向色散；由于采用了高 衍射级次的中阶梯光栅，其衍射谱存在严重的级 次重叠，因此需要用一低色散元件（棱镜或平面光 栅）将重叠在一起的各级次光谱分离开来，即进行 交叉色散（相对于中阶梯光栅的色散方向或被称 为横向色散），使入射单束光分解为二维光谱，按 波长与级次的顺序由聚焦镜聚焦在ＣＣＤ平面上。 由于面阵ＣＣＤ的像素数远大于线阵ＣＣＤ的像素 数，因此，中阶梯光栅光谱仪可以在一次曝光中获 得很宽波段的光谱信号。 ３ 光学系统的设计 研制的中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅／ 棱镜交叉色散系统，工作波长为２００ ５００ ｎｍ，中 阶梯光栅刻线密度为５４．４９ ｇ／ｒａｍ，分辨率为 ２ ０００～１５ ０００。 中阶梯光栅光谱仪的主要色散元件是中阶梯 光栅和色散棱镜，可实现两个相互垂直垂直方向 的色散，同时使用曲率半径相同的离轴抛物镜作 为准直镜和成像物镜，使各波段的光谱成像在面 阵ＣＣＤ上。 ３．１ 中阶梯光栅中心波长和闪耀级次的确定 将经过中阶梯光栅刻槽断面上一点的刻槽斜 面与光栅决定的平面定义为中阶梯光栅的法面。 若入射光位于法面内，则衍射光也位于法面内。 此时若光以闪耀角入射，则衍射角等于入射角，即 光栅工作于Ｌｉｔｔｒｏｗ条件下时，光栅效率最高。 但严格的Ｌｉｔｔｒｏｗ条件将使光路难以合理安排， 因此在实际应用中，常使入射光与光栅法面有一 不为、０的夹角ｙ，而入射光在法面上的投影为闪 耀角，可称为“准Ｌｉｔｔｒｏｗ条件”。准Ｌｉｔｔｒｏｗ条件 仍然可以达到最高的效率，并且有利于安排光 路 引。 在准Ｌｉｔｔｒｏｗ条件下的光栅方程为 ｄ（ｓｉｎ ＋ｓｉｎ ）ＣＯＳ ｙ—ｍ ， （１） 其中，ｉ为入射角，ｄ为光栅常数，本项目所选择的 中阶梯光栅的刻线密度是５４．４９ ｇ／ｍｍ，故光栅 常数为１／５４．４９；０为光栅衍射角，所选中阶梯光 栅的闪耀角为４６。；ｍ为衍射级次； 为波长。 由于中阶梯光栅光谱仪的工作波段选为２００ ～５００ ｒｉｍ，因此，将设计参考波长选择为３５０ ｎｌＴｌ， 将其代人公式（１）得到相应的衍射级次ｍ为７５。 综上，根据公式（１）能计算得到不同波长所对 应的中阶梯光栅的衍射级次 。 图２棱镜色散 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｐｒｉｓｍ ３．２交叉色散元件 由中阶梯光栅进行主方向的色散之后，为将 重叠在一起的级次分开，需要由横向色散元件进 行与主方向垂直的交叉色散，交叉色散元件选用 棱镜。 以Ｒ一１／ｄ１表示棱镜的波长分辨能力，则 有： Ｒ＝ａ／ｄａ一（ａ／ＡＯ）（ＡＯ／Ａｎ）（Ａｎ／ＺＸａ） 几 ２ｓｉｎ ｍＲｚＤ￣ Ａｎ． ． 由图２可知： ｔ １ Ｄ 即： 所以得： Ｒ＝ｔ． ， （２） 其中，ｔ为色散棱镜底边之长，为了提高棱镜的分 辨率，选择内反射式的利脱尔棱镜，如图３所示。 棱镜的材料是石英玻璃，这是一种具有光学晶轴 的材料，这种棱镜结构形式对光学晶轴的定向要 求比传统三棱镜要低，这是因为在装校仪器时，可 以校正部分光学晶轴的误差。 由折反射定律，可得到梯形反射棱镜色散公 式： 一 ｎ［ｎａ Ｘ ｓｉｎ（ａｒｃｓｉｎ ｃ ｈ）］ 光学精密工程 第１８卷 三＋ ：＿Ｔ可一——，：＝—２Ｃ０—Ｓ， ３ ３ ｐ （一０） 对中阶梯光栅，可以利用球面光栅的聚焦方 程： ｃｏｓ２ｉ￣ｃｏｓ２０ｃｏｓ／＋ ｃｏｓ ０————————； ————一・， 一—————（７），Ｊ ， ， Ａ 令Ｒ＝＝＝。。即可［】 ”］。 ３．４光学系统设计结果 通过上述分析及计算，设计了中阶梯光栅光 图３利脱尔棱镜 Ｆｉｇ．３ ＩＡ Ｅｒ－ｏｆｆ ｐｒｉｓｍ 其中， 为光线入射棱镜的角度，ｒ为棱镜出射光 线的角度，ａ为棱镜的顶角。 入射光经过两个方向的交叉色散之后即可形 成二维光谱，由聚焦物镜聚焦在出缝的面阵ＣＣＤ 上。由于进行了两个方向的色散，整个系统的光 路并不在同一平面上，因此各元件在仪器高度方 向为错层分布 ］。 ３．３消像差设计 中阶梯光栅光谱仪采用ｃ—Ｔ结构形式，其中 准直镜和聚焦镜为反射镜，为了减小彗差的影响， 它们采用相同的光学结构，即具有相同的曲率半 径。 在反射镜的选取上采用离轴抛物镜的结构形 式，这是因为对于两个反射镜如果选用球面镜时， 球差恒存在，同时使用时会造成球差相加，而用抛 物镜代替球面镜可以消除球差的影响。彗差是非 对称像差，它影响系统的分辨率，为了减小彗差对 于光谱仪分辨率的影响可采用等光程消彗差的方 法，Ｌｉｎｄｂｌｏｍ给出了Ｃ—Ｔ结构光学系统的消彗差 公式： ｔａｎ Ｅ１ＣＯＳ２ｉｒＣＯＳ￡１ ｌ ｓｉｎｚ￡１ ＣＯＳ。 ］ｔａｎ ｅ２ＣＯＳ２０ Ｐ１ Ｌ Ｚ 。 Ｒ１ 肪 Ｐ２ 广ＣＯＳ ｅ 勖Ｉ（ 一÷）— 一一丁 一十可一 ｃｏｓ２ｉ＋鲁一警卜０ Ｊ一 ， （４） 式中ｅ为离轴角，Ｒ为子午面曲率半径，ＩＤ为弧矢 面曲率半径（下角标１，２分别对应准直镜和聚焦 镜）。 对于准直镜和聚焦镜的消像散，可使用式（５） 来计算： 】．１ ２ … 了十 一 ’ ） 谱仪，其光学设计参数如下： 中阶梯光栅常数：ｄ一１／５４．４９ ｍｍ 光栅入射角：ｉ一４６．０５８。 光栅转角：ｙ一６．７。 棱镜入射角：声一２７．７６。 棱镜半顶角：ａ／２—１２．２。。 准直镜和聚焦镜焦距：厂一３２１．８ ｍｍ 图４光学系统对７５级光线的追迹 Ｆｉｇ．４ Ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ｏｆ ７５ ｏｒｄｅｒ 光学系统结构如图４所示。 其中参考波长３５０ ｎｍ和边缘波长２００，５００ ｎｍ 处的点列图如图５所示，从图中可以看出在参考 波长位置和边缘波长位置处系统像差校正较好。 为了计算系统的分辨率，对２００，３５０，５００ ｎｍ及其附近的谱线进行光线追迹，得到点列图， 如图５所示。 利用公式计算相对应的分辨率， １ Ｒ一 ， （８） △＾ 所得理论分辨率数值如表１所示。 第９期 唐玉国，等：中阶梯光栅光谱仪的光学设计 入射针孔直径，由此产生的弊端是到达探测器的 光能变弱，检测能力下降，因此，通常光谱仪必须 在能量输出和分辨率之间折中，不能同时获得最 佳。然而，中阶梯光栅由于色散率和分辨率高，即 使入射针孔较大时，也有较强的光能输出和较高 的检测能力。在本仪器中初步选用４５ ｔｔｍ针孔， 经前面公式计算其对２００，３５０和５００ ｎｍ波长光 谱引起的谱线宽度变化分别约为０．０３４，０．０２４， 图５ 参考波长与边缘波长点列图 Ｆｉｇ．５ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｄｇｅ ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ 表１光学系统的理论分辨率 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ 考虑到各种可能影响分辨率的因素，可以看 出系统分辨率的数值是能够满足设计指标要求 的。 ３．５入射狭缝对于分辨率的影响 入射针孔直径会影响所测得谱线宽度，从而 影响光谱仪的分辨率。设入射针孔直径为 ，针 孔上每一点均可看作发光点，可得主截面上光束 入射的角宽度： △ 一 ， （９） 将式（１）两端对 求导，由上式可计算出入射针孔 直径所引起的谱线宽度变化量： △ 一—￣ｄｃｏｓ０ ｃｏ——ｓ ｙ， （１Ｏ） ， ＿， 由针孑Ｌ进入光学系统的光通量： 一（ ， …） 式中Ｄ为准直镜的直径，Ｓ为针孔面积，Ｂ为入 射光源亮度＿１ 。 普通平面光栅光谱仪想提高分辨率需要减小 ０．０１５ ｎｍ，可以忽略不计，不影响系统的分辨率。 ４ 实验结果 目前中阶梯光栅光谱仪原理样机已装配完 成，图６为初步拍摄的汞灯谱图，图中所标出的为 汞灯的绿色特征谱线（５４６．１ ｎｍ）。为使光谱仪 能够满足实际应用的需要，还需要进一步完善后 端电路及软件支撑。 图６初步测试中拍摄的汞灯光谱图 Ｆｉｇ．６ Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｍｅｃｕｒｙ ｌａｍｐ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｒｅ ｌｉｍｉｎａｒｙ ｔｅｓｔ ５结论 本文在理论计算及分析的基础上设计了中 阶梯光栅光谱仪的光学系统，并对其设计结果进 行了分析。初步实验验证表明，该光谱仪可实现 对２００～５００ ｎｍ波段光谱的一次读取，系统在整 个工作波长内分辨率可以达到２ ０００～１５ ０００，满 足预期指标要求，同时整体结构尺寸简单紧凑，便 于实现安装调整，为今后中阶梯光栅光谱仪的设 计工作奠定了坚实的基础。该种结构类型的光谱 仪，充分发挥了中阶梯光栅的优势，符合光谱仪器 １９９４ 光学精密工程 第１８卷 发展趋势，随着其设计技术的进一步成熟会有广 参考文献： ［１］ ＨＡＲＲ１０Ｎ Ｇ Ｒ，ＡＲＣＨＥＲ Ｊ Ｅ，ＣＡＭＵＳ Ｊ．Ａ Ｆｉｘｅｄ・・ｆｏｃｕｓ ｂｒｏａｄ・ ｒａｎｇｅ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｐｏｗｅｒ［Ｊ］．Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ． Ａｍ．，１９５２，４２（１０）：７０６—７１２． Ｉ－２］ ＺＨＵ Ｙ，ＸＵ Ｗ．Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ＩＲ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｉｎｓｔｒｕ— ｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ［Ｍ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＵＳＡ： ＳＰＩＥ，２０００：１４１—１４７． ［３３李娜娜，安志勇，崔继承．中阶梯光栅光谱仪光学系 统的安装及检测［Ｊ］．光学精密工程，２００９，１７（３）， ５３１—５３６． Ｌ１ Ｎ Ｎ，ＡＮ Ｚ Ｙ，ＣＵＩ Ｊ Ｃ．Ａｌｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｏｐｔ． Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ．，２００９，１７（３），５３１—５３６．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ）． ［４］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． ＷＵ Ｘ Ｈ，ＺＨＵ Ｙ Ｔ。ＷＡＧＮ Ｌ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｐ — ｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ．，２００３，１ｌ（５）：４４２—４４７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［５］ ＡＲＴＨＵＲ Ｂ Ｓ，ＬＡｗＲＥＮＣＥ Ｒ Ｍ，ＬＥＡＮＮ Ｄ． Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｚｅｒｎｙ—ｔｕｒｎｅｒ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］． ＪＯＳＡ，１９６９，９（９）：１１８９． ［６］赵复垣．刻划阶梯光栅的原理和应用特性［Ｊ］．光谱 学与光谱分析，１９９３，１３（３），１０１－１０７． ＺＨＡＯ Ｆ Ｙ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｆｏｒ ａｐｐｌｙ— ｉｎｇ ｏｆ ｅｅｈｅｌｌｅ［Ｊ］．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌ— ｙｓｉｓ，１９９３，１３（３），１０１—１０７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［７］谢品，倪争技，黄元中，等．中阶梯光栅的应用研究 进展Ｉ－Ｊ］．激光杂志，２００９，３０（２）：４－６． 作者简介 ＿ 唐博谱ｍａ玉士仪ｉｌ：器国，ｔ研ａｎ（及究１ｇ９ｙ医６员ｇ７＠用一，博ｙ）光ｉｌ士，ａ男谱ｏ生ｙ，技ｉ吉导ｑ．林师术ｃｏ蛟，的ｍ主 河研要人究从，理事。学光Ｅ＿ 阔的应用前景。 ＸＩＥ Ｐ，ＮＩ Ｚ Ｊ，ＨＵＡＮＧ Ｙ Ｓ，ｅｔ ａｌ…Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｃｈｅｌｌｅ ｇｒａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００９，３０（２）：４－６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［８］ 杨德才．中阶梯光栅及其应用［Ｊ］．现代科学仪器， １９９２，１１（４）：２９—３１． ＹＡＮＧ Ｄ Ｃ．Ｔｈｅ ｅｃｈｅｌｌｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｍｏｄｅｒｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９９２，１１（４）：２９— ３１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［９］ ＧＩＩ Ｍ Ａ，ＳＩＭＯＮ Ｊ Ｍ，ＦＡＮＴＩＮ０ Ａ Ｎ．Ｃｚｅｒｎｙ－ Ｔｕｒｎｅｒ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ｗｉｔｈ ａ ｗｉｄｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ［Ｊ］． Ａｐｐ１．Ｏｐｔ，１９８８，２７（１９）：４０６９． ［１Ｏ］ ＥＮＧＭＡＮ Ｓ，ＩＡＮＤＢＬＯＭ Ｐ．Ｍｕｌｔｉｅｃｈｅｌｌｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｍｏｕｎｔｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｅｒ— ｓｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐ１．Ｏｐｔ，１９８２，２１：４３６３—４３６７． ［１１］ 胡中文．广义光栅方程与光栅密度测试及二维 ＣＣＤ全谱仪的研制［Ｄ］．合肥：中国科学技术大 学，２００５． ＨＵ Ｚ Ｗ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｅｑｕａ— ｔｉｏｎ．ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｐａｃｉｎｇｓ ａｎｄ ＣＣＤ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ［Ｄ］．Ｈｅｆｅｉ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ．２００５．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ） ［１２］ 杨晓冬，李正灯．光栅光谱仪入射与出射狭缝宽度 对测量谱线线宽影响研究［Ｊ］．嘉应学院学报， ２００８，２６（６）：３８—４１． ＹＡＮＧ Ｘ Ｄ，ＬＩ Ｚ Ｄ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｔｒａｎｃｅ ｓｌｉｔ ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｅｘｉｔ ｓｌｉｔ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅ— ｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｌｉｎｅ ｗｉｄｔｈ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊ ｉａｙｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）２００８，２６ （６）：３８—４１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 宋楠（１９８５一），男，吉林人，硕士研 究生，主要从事光谱仪器光机结构设计 的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｋａｎｅ—ｍａｒｔｉｎ＠１６３． ９期 唐玉国，等：中阶梯光栅光谱仪的光学设计 磷 《 蓑 １９９５ 图 多师斯，主人要，从理事学光博栅士理，研论究、光员栅，博制士作生技导术 ｜｜主，｛ｍ陈ａ要今ｉｌ：涌从ｃｈ（事ｅ１ｎ９ｊ光ｙ４２＠谱一ｃｉ）仪ｏｍ，男器ｐ．，设ａ上ｃ．计ｃ海ｎ 的人研，研究究。员Ｅ 。 瞄 及光谱技术的研究。Ｂｍａｉｌ：ｂａｙｉｎ８８８。翥一 － 圈 崔研计继究理承生论（，及助１９光７理６谱一研）究仪，男员器，设吉主林计要长从的春研事人光究，博学。士设Ｅ一 ＇＿………一………一 期预告 微小型光纤陀螺组合分时复用技术 马东营，宋凝芳，金 靖，宋镜明 （北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京１００１９１） 为了有效减小多轴光纤陀螺组合的功耗、体积和重量，进一步实现光纤陀螺组合微小型化。应用分 乏用技术，提出了一种基于３×３耦合器，工作在８５０ ｎｍ短波长的光纤陀螺分时复用组合结构。通过 之螺输出数据处理方法的分析，得到分时复用光纤陀螺组合相对极限零偏稳定性。同时建立分时复 亡ｌ纤陀螺切换模型，揭示了分时复用导致光纤陀螺轴向切换必然存在一个过渡过程。分析了过渡过 寸陀螺组合静态、动态特性的影响，得到的结果显示，光纤陀螺组合相对零偏稳定性增大了２．１倍，最 ｉｉ人信号检测带宽为１．１ ｋＨｚ，标度因数的不对称性和非线性度均小于５×１０～。最后通过仿真实验 亍了验证，结果表明这种技术可以满足微小型多轴光纤陀螺组合在中低精度领域中应用的需求。
