超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计

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。

关键词：光学设计；中阶梯光栅光谱仪；超宽谱段；高分辨率

1 引言

光谱技术作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质量控制等方面发挥着巨大作用。它依据物质发射、吸收光辐射的频率和强度，实现物质的定性、定量及结构分析，应用非常广泛。中阶梯光栅光谱仪因采用中阶梯光栅作为主色散元件，可以一次获取全波段光谱图像，且较同体积规格仪器的光谱分辨率高、工作波段范围宽、能量效率高，是激光诱导等离子体光谱（Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS）、微波等离子体炬（Microwave Plasma Torch，MPT）光谱、拉曼光谱及电感耦合等离子体原子发射光谱（Inductively Couple Plasma，ICP）等先进光谱分析系统的优选分光单元。

中阶梯光栅是一种高端色散元件，具有全波闪耀、高色散率、高衍射效率的优点，但其工作于高级次衍射的特点，也带来了严重的光谱叠级现象。通常采用增加棱镜作为辅助色散元件的方法解决该问题，能保证系统的光传输效率且不会引入干扰光谱，但存在色散不均性，衍射级次在短波区级次间隔大，在长波区级次间隔小，引入了级次干扰。此外，组合交叉色散结构会在像面形成大面积二维光谱图像，主光线不在固定平面内，需在子午、弧矢两方向分别进行像差校正及焦距补偿，为光学结构的设计增加了困难。

欧美国家很早就开展了中阶梯光栅光谱仪的研发工作，通过探索优化光栅制作、光学设计、光谱探测等关键单元技术，成功研制出多款具备先进技术水平的中阶梯光栅光谱仪。鉴于它在光谱分析及相关应用领域中不可替代的优势，近年，国内诸如长春光机所、浙江大学、天津大学等科研单位也相继开展了中阶梯光栅光谱仪的研究工作。所设计仪器的使用波段基本在190~800 nm，且未有能实现超宽谱段范围同步直读的设计报导。而光谱仪器谱段范围的拓宽，意味着可覆盖更多待测样本所含元素的特征谱线，大大提升了光谱分析系统的检测能力。

本文主要根据石化行业油品检测元素的使用波段及检出需求，设计了一种能够覆盖深紫外到近红外波段的超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪。该光谱仪结合准Littrow结构与C-T结构优势，采用组合色散形式；为方便装调，控制成本，采用球面反射镜作为主要反射元件，通过加入校正结构及优化配置光路参数获得了优质的成像质量。

2 原理

基于中阶梯光栅、棱镜组合色散的中阶梯光栅光谱仪结构原理如图1所示。光谱仪主要由准直系统、聚焦系统、色散系统和探测系统组成。

图1.中阶梯光栅光谱仪的工作原理

信号光束由小孔入射，经准直镜后以平行光的形式入射到中阶梯光栅的表面进行弧矢方向色散，再经过棱镜完成子午方向色散，如此交叉色散形成二维光谱，通过成像镜进行会聚，成像于探测器的接收靶面，完成光谱信息的收集。然后，通过后端的光谱信息预处理等操作实现二维谱图的一维转换，最终为分析检测系统提供准确的样品特征光谱信息。

3 光路结构设计

3.1 设计需求

中阶梯光栅光谱仪多集成于光谱检测设备内应用，是光谱分析系统的核心单元。为增加检测元素种类和提高元素分析准确度，所设计的中阶梯光栅光谱仪需具备超宽波段、高光谱分辨率特点。此外，为充分发挥其“全谱直读”的独特优势，光路结构的设计需以中阶梯光栅全部使用级次的中心波长为参考，完成全谱段成像质量的优化和评价。

此中阶梯光栅光谱仪的主要应用方向为基于微波等离子体炬光源的油品检测设备。综合油品重要监测元素S，Cl等的特征谱线位置及检出要求，输入设计需求如表1所示。

表1.中阶梯光栅光谱仪设计需求

针对中阶梯光栅光谱仪特有的二维梳状谱图特点，且为满足超宽谱段及高分辨率设计需求，选用具有大靶面及小像元的滨松S12101面阵型CCD（Charged Coupled Device）芯片，如图2所示，其性能参数见表2。因此，光路结构参数还需以探测器靶面尺寸和像元大小为依据。

图2.S12101型号探测器实物

表2.S12101芯片的基本参数指标

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由于深紫外波段的有效探测是该设备研制的关键技术问题，因此，对该项技术进行验证。根据光栅色散方程可计算得到160 nm位于163级次，汞氩灯253.652 nm处特征光斑位于103级次位置。定位253.652 nm处光斑坐标位置作为基准，如图10所示。观看采集氘灯光源所获得的全谱段二维梳状谱图，如图11所示，可以看到自103级次（探测器靶面第735行位置附近）下数60个级次即163级次（160 nm所在级次）谱线清晰。故所研制设备的使用范围可以覆盖160~1 000 nm。

图10. 253.652 nm处光斑位置

图11. 中阶梯光栅光谱仪采集氘灯谱图

中阶梯光栅光谱仪在应用过程需根据所集成光谱分析系统特点配备光源耦合结构实现发散光束的有效导入。因此，由图11可以看出，虽然在全谱段范围内，各衍射级次谱线得到有效采集，但各波段谱线强度相差较大。针对此问题，将完成配套光源的耦合结构设计，以提升紫外波段的光源耦合效率，平衡全谱段的信号强度。

5 结论

本文针对石化行业的流程工业检测应用需求，设计了一种中阶梯光栅光谱仪，该光谱仪具有160~1 000 nm的超宽工作波段。针对深紫外波段的探测需求，通过像差抑制和色散结构设计，使得光学系统在子午、弧矢两方向的像差得到了良好的校正。通过加入由球透镜和柱透镜组成的校正结构，实现焦距补偿及全波段的高质量成像优化，最终设计系统在全谱段范围的成像光斑大小约为12.1 µm，且较为均匀，在257.61 nm处的分辨率优于0.009 nm。此外，为解决深紫外波段的强空气吸收问题，采用高刚度密封结构设计及环境控制装置，通过应力分析在抽真空及充气状态下验证整体方案的可行性，并且对深紫外波段的探测进行了实验验证。

环境控制装置及高质量成像光路的设计，解决了中阶梯光栅光谱仪类仪器因光学材料有限及强空气吸收作用而难在深紫外波段应用的问题。所设计的光谱仪实现了超宽谱段光谱的高分辨读取，为深紫外波段探测提供了借鉴。

鉴于篇幅，本文仅为节选（光学精密工程 第29卷 第1期），全文内容可阅读原文下载PDF文档。