CN104316181B - 真空紫外平面光栅色散光谱仪的装调方法 - Google Patents
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Abstract
真空紫外平面光栅色散光谱仪的装调方法，属于光谱技术领域，为解决真空紫外光栅光谱仪在装调时精度下降的问题，该方法以干涉仪为光源，用平面镜对原光路中的真空紫外光栅进行替代，通过系统波像差干涉图依次对光谱仪的望远系统、准直系统和狭缝进行装调；之后用可见光光栅代替平面镜，用汞灯和准直系统搭建的平行汞灯特征光谱准直光为装调光源，计算系统在真空紫外波段下的像面理想光谱谱图，根据换用的可见光光栅与待装调真空紫外光谱仪的真空紫外光栅的刻线密度之比，计算对应汞灯特征谱的真空紫外波长，将对应汞灯特征谱的各个真空紫外光谱谱线在像面上的位置记录，依次调整光栅、聚焦镜，使汞灯特征谱线位置落到计算获得的各个最佳位置上。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空紫外平面光栅色散光谱仪的装调方法，属于光谱技术领域。
背景技术
真空紫外平面光栅光谱仪器在大气遥感领域，标准远紫外光源光谱分析和性能检测等研究方面具有不可或缺的作用。但是对于真空紫外光栅光谱仪器，由于真空紫外波段辐射在大气下被完全吸收，故在可见光环境条件下无法进行装调，且在光谱带宽要求精度非常高的情况下，细小的装调误差就会极大的影响光谱仪的性能，因此这种装调上的实施困难性和复杂性就给真空紫外光栅光谱仪器的集成应用带来了很大的困难。
紫外等微弱波段的光栅光谱仪装调通常利用光栅的多级谱来进行，但是对于真空紫外光栅光谱仪，其最大的装调困难就在于，真空紫外光谱在大气下完全不可见，且其在可见光光谱下的衍射属于真空紫外光谱的三级光谱或是四级光谱，这些光谱由于能量问题在大气下难以观测；而根据G.N等人的文献(Optical design of a high-spatial-resolution extreme-ultraviolet spectroheliograph for the transition region,Appl Opt,44(24),2005)中提到的国外传统的真空紫外光栅光谱仪装调方法中，主要利用了准直激光器和对应多级衍射谱的可见光光栅。但是在将真空紫外波段变换到可见波段时，通常需要利用光栅的三级谱甚至四级谱，这样在使用准直激光进行装调时，在替换光栅的衍射效应作用下，装调波长带宽会严重扩展，从而对谱线在像面位置的判断产生比较大的影响，在光谱分辨率要求很高的情况下，这种装调方法难以判断装调的焦距。这些都造成了真空紫外光栅光谱仪器的高精度装调实现困难。
发明内容
本发明为了解决真空紫外平面光栅光谱仪在大气下难于精确装调，装调成本高，传统方法在装调时容易使装调波长出现衍射，从而导致装调精度严重下降的问题，提供了一种适用于真空紫外光栅色散光谱仪的装调方法，实现了在大气可见光波段下对真空紫外光栅光谱仪进行高精度装调的能力，从而节约了装调成本，改善了装调精度。
本发明解决技术问题的技术方案是：
真空紫外平面光栅色散光谱仪的装调方法，该方法应用的真空紫外平面光栅色散光谱仪，其包括望远镜、狭缝、准直镜、真空紫外光栅和聚焦镜，入射光线首先进入望远镜，经望远镜反射后再经狭缝后入射在准直镜上，光线经准直镜准直反射后由真空紫外光栅色散再反射在聚焦镜上，实现会聚成像；
其特征是，该方法包括以下步骤：
第一步，用平面镜代替真空紫外光栅，Zygo干涉仪出射标准准直光入射到真空紫外平面光栅色散光谱仪上，分别调整真空紫外平面光栅色散光谱仪中的望远镜、狭缝、准直镜和平面镜，使Zygo干涉仪出射的光经平面镜反射后返回Zygo干涉仪中，计算机控制处理系统与Zygo干涉仪相连，观察波像差微调真空紫外平面光栅色散光谱仪中的望远镜、狭缝、准直镜和平面镜，并通过计算机控制处理系统获取此时真空紫外平面光栅色散光谱仪的最优波像差图像，从而完成一次装调；
第二步，将Zygo干涉仪换为标准汞灯和可见光准直器，可见光平面光栅代替平面镜，在真空紫外平面光栅色散光谱仪的像面处安装可见光数据采集处理系统，计算机控制处理系统与可见光数据采集处理系统相连，进行控制和显示；聚焦镜于可见光平面光栅和可见光数据采集处理系统光路之间；
根据可见光平面光栅与真空紫外光栅的刻线密度之比计算对应各真空紫外光谱谱线的标准汞灯特征谱线在像面的位置，调整可见光平面光栅和聚焦镜，利用标准汞灯多条特征谱线间隔恒定不变的原理对各特征谱线的中心进行拟合计算确定，使标准汞灯特征谱线的中心位置在像面位置与理论值匹配，完成可见光下的二次装调；
第三步，利用标准氘灯、真空紫外单色仪和真空紫外光准直器组成准直标准照射光源，标准氘灯照射真空紫外单色仪，出射的各波长单色光由真空紫外光准直器准直出射，该准直标准照射光源代替标准汞灯和可见光准直器，将可见光平面光栅换为真空紫外光栅；待装调真空紫外平面光栅色散光谱仪放入真空系统中，并与位于真空系统中的真空紫外数据采集处理系统组成检验系统；计算机控制处理系统与真空紫外数据采集处理系统相连，控制采集图像数据并进行显示，根据光谱分辨率的显示结果检验装调效果，完成装调过程。
本发明的有益效果是：通过可见光光栅的替换将远紫外光栅色散光谱仪的装调波段从真空紫外波段转换至可见光波段，通过光路设计理论计算将真空紫外光谱与对应的汞灯的多个特征谱线(多级衍射谱线)在像面位置一一对应，并通过汞灯多个特征谱线的拟合计算确定了汞灯特征装调谱线的中心位置，使得汞灯特征谱线能够处于理想的像面计算位置上，解决了单一装调准直激光容易引起最终装调波长严重衍射从而影响装调精度的问题，并最终解决了真空紫外波段光谱仪器无法在大气下实现高精度装调的问题。相比传统装调方法更为简单，消耗人力时间少，成本低，而谱线衍射效应的消除也使得装调方法的精度更高。
附图说明
图1是使用Zygo干涉仪和换用平面镜的光谱仪的前端光路装调示意图。
图2是使用标准汞灯和换用可见光平面光栅的光谱仪的后端光路装调示意图。
图3是使用标准氘灯和真空紫外单色仪对光谱仪进行最终装调效果检验示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法实施作进一步详细描述。
如图1所示，在光谱仪12中将真空紫外光栅12-4换为平面镜3，利用Zygo干涉仪1出射的准直光对光谱仪12进行照射。首先调整光谱仪12中的望远镜12-1，狭缝12-2和准直镜12-3，使准直镜12-3出射光为准直光；之后调整平面镜3将该准直光沿原光路返回Zygo干涉仪1中。计算机控制处理系统2与Zygo干涉仪1相连，观察波像差微调前端各光学元件，并通过计算机控制处理系统2获取系统最优波像差图像，从而完成光谱仪前端部分的装调。
如图2所示，将Zygo干涉仪1换为标准汞灯4和可见光准直器5。将光谱仪12中的平面镜3换为可见光平面光栅6。在真空紫外光谱仪12的像面处安装可见光数据采集系统7，计算机控制处理系统2与可见光数据采集处理系统7相连，进行控制和显示。聚焦镜12-5位于可见光平面光栅6和可见光数据采集处理系统7光路之间。
根据光路计算真空紫外波段下光谱仪的像面理想谱图，再根据可见光平面光栅6与光路中真空紫外光栅12-4的刻线密度之比计算汞灯4特征谱线对应的各个真空紫外光谱谱线(比如在可见光光栅刻线密度是真空紫外光栅刻线密度1/3的情况下，汞灯特征谱404.7nm、435.8nm和546.1nm对应134.9nm、145.3nm和182.0nm)，将对应的真空紫外光谱谱线在像面上的理想位置作为汞灯4特征谱线像面分布位置；根据汞灯4特征谱线的固定间隔拟合计算经光栅衍射后各个汞灯特征谱线的光谱形状和强度分布，确定其中心位置，调整光栅6、聚焦镜12-5和可见光数据采集处理系统7，使这些汞灯特征谱线均入射在之前计算过的理论位置上，并使各特征谱线的中心严格对应最优像面位置，完成光谱仪后端部分的装调。
如图3所示，将真空紫外光栅12-4和真空紫外数据采集系统12-6换入光谱仪12中，注意不要改变光学系统中任何光学元件的安装位置参数。将光谱仪系统12放入真空系统11中。标准氘灯8、真空紫外单色仪9及真空紫外光准直器10组成真空紫外准直出射光源系统，对光谱仪12进行照射，通过真空紫外数据采集系统12-6获得最终光谱图，计算机控制处理系统2与真空紫外数据采集处理系统12-6相连，控制数据采集图像数据并进行显示，分析光谱分辨率指标，检验光谱仪最终的装调效果，完成装调。
Claims (1)
1.真空紫外平面光栅色散光谱仪的装调方法，该方法应用的真空紫外平面光栅色散光谱仪(12)，其包括望远镜(12-1)、狭缝(12-2)、准直镜(12-3)、真空紫外光栅(12-4)和聚焦镜(12-5)，入射光线首先进入望远镜(12-1)，经望远镜(12-1)反射后再经狭缝(12-2)后入射在准直镜(12-3)上，光线经准直镜(12-3)准直反射后由真空紫外光栅(12-4)色散再反射在聚焦镜(12-5)上，实现会聚成像；
其特征是，该方法包括以下步骤：
第一步，用平面镜(3)代替真空紫外光栅(12-4)，Zygo干涉仪(1)出射标准准直光入射到真空紫外平面光栅色散光谱仪(12)上，分别调整真空紫外平面光栅色散光谱仪(12)中的望远镜(12-1)、狭缝(12-2)、准直镜(12-3)和平面镜(3)，使Zygo干涉仪(1)出射的光经平面镜(3)反射后返回Zygo干涉仪(1)中，计算机控制处理系统(2)与Zygo干涉仪(1)相连，观察波像差微调真空紫外平面光栅色散光谱仪(12)中的望远镜(12-1)、狭缝(12-2)、准直镜(12-3)和平面镜(3)，并通过计算机控制处理系统(2)获取此时真空紫外平面光栅色散光谱仪(12)的最优波像差图像，从而完成一次装调；
第二步，将Zygo干涉仪(1)换为标准汞灯(4)和可见光准直器(5)，可见光平面光栅(6)代替平面镜(3)，在真空紫外平面光栅色散光谱仪(12)的像面处安装可见光数据采集处理系统(7)，计算机控制处理系统(2)与可见光数据采集处理系统(7)相连，进行控制和显示；聚焦镜(12-5)位于可见光平面光栅(6)和可见光数据采集处理系统(7)光路之间；
根据可见光平面光栅(6)与真空紫外光栅(12-4)的刻线密度之比计算对应各真空紫外光谱谱线的标准汞灯(4)特征谱线在像面的位置，调整可见光平面光栅(6)和聚焦镜(12-5)，利用标准汞灯(4)多条特征谱线间隔恒定不变的原理对各特征谱线的中心进行拟合计算确定，使标准汞灯(4)特征谱线的中心位置在像面位置与理论值匹配，完成可见光下的二次装调；
第三步，利用标准氘灯(8)、真空紫外单色仪(9)和真空紫外光准直器(10)组成准直标准照射光源，标准氘灯(8)照射真空紫外单色仪(9)，出射的各波长单色光由真空紫外光准直器(10)准直出射，该准直标准照射光源代替标准汞灯(4)和可见光准直器(5)，将可见光平面光栅(6)换为真空紫外光栅(12-4)；待装调真空紫外平面光栅色散光谱仪(12)放入真空系统(11)中，并与位于真空系统(11)中的真空紫外数据采集处理系统(12-6)组成检验系统；计算机控制处理系统(2)与真空紫外数据采集处理系统(12-6)相连，控制采集图像数据并进行显示，根据光谱分辨率的显示结果检验装调效果，完成装调过程。
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