CN107884855A - 可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法，在中阶梯光栅的同一刻槽内设计三个不同闪耀角的闪耀面，形成三闪耀面的中阶梯光栅，各相邻闪耀面闪耀角差值的大小关系，以满足衍射能量叠加峰值趋向于相等为准；根据三闪耀波长在像面上光能量相等的条件，设计三个闪耀面的闪耀面宽度，由于各闪耀面衍射主极大方向上对应的衍射波长不同，使得在像面上的一个比较宽的光谱范围内都具有较强的光谱强度，中阶梯光栅光谱能量分布沿波长展宽，从而达到在宽光谱范围内具有较强光谱强度的目的，拓宽了探测面上的光谱范围，能够探测到单闪耀面中阶梯光栅光谱仪在像面上光谱能量边缘无法探测到的波长信息。

Description

可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法

技术领域

本发明涉及一种中阶梯光栅，特别涉及一种可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法。

背景技术

光栅是一种非常重要并且应用面特别广泛的分光元件，在光谱仪、光通信技术和光检测技术等科学领域都有广泛的应用。光栅因其具有高色散精度、高分辨率和高衍射效率等因素代替棱镜作为新一代光谱仪的色散元件。光谱仪器在地质、水质、生物医学方面扮演着越来越重要的角色，同时在航天、天文等高精尖领域也有广泛的应用，同时随着现代航天、天文等领域的快速发展，光栅及相关光栅仪器已成为不可或缺的重要组成部分，因此对于光栅的研究已成为现代科学研究的一个重要分支。

中阶梯光栅是一种特殊的闪耀衍射光栅，具有很高的衍射级次和很大的衍射角，是高档光谱仪器中的一种重要色散元件，利用其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次，具有很高的光谱分辨率、色散率和衍射效率，能实现全光谱闪耀的目的。

在中阶梯光栅光谱仪器中，对于使用的中阶梯光栅，根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ_b可知(其中d是光栅常数，α是入射角，β是衍射角，m是衍射级次，λ_b是在m级次下的闪耀波长)，在平行光入射的条件下，闪耀波长与闪耀级次和闪耀角有关，但由于衍射光束的能量分布主要集中在衍射主极大附近，使得偏离衍射主极大较远处光谱的能量很小，因此，如何拓宽衍射能量的光谱范围，使得能够探测到单闪耀面中阶梯光栅光谱仪无法探测到的边缘波长信息是本发明的出发点。传统的中阶梯光栅只有一个闪耀面，衍射能量的光谱范围较小。检测效率低、流程复杂而且工作量大。

发明内容

本发明是针对传统的中阶梯光栅每个刻槽内只有一个闪耀面，衍射能量的光谱范围窄不利于检测的问题，提出了一种可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法，拓宽了探测面上的光谱范围。

本发明的技术方案为：一种可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法，具体包括如下步骤：

1)在中阶梯光栅刻槽中，设计具有三个不同闪耀角的闪耀面，第一闪耀面在中间，第二闪耀面和第三闪耀面在第一闪耀面两边，第一闪耀面的闪耀角为θ_b1、第二闪耀面的闪耀角为θ_b2、第三闪耀面的闪耀角为θ_b3，并且设计后闪耀面从光栅基底开始沿着顺时针或逆时针方向闪耀角依次减小，θ_b3<θ_b1<θ_b2；

2)根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ_b，其中d是光栅常数，α是入射角，β是衍射角，m是衍射级次，λ_b是在m级次下的闪耀波长，对于同一束平行入射光垂直于第一闪耀面入射，第一闪耀面符合Littrow自准直入射条件，第一闪耀面的衍射主极大方向为垂直于第一闪耀面的反射光方向，对应的衍射波长为闪耀面的闪耀波长；由于入射光不垂直于第二闪耀面和第三闪耀面，因此第二闪耀面和第三闪耀面的衍射主极大方向为入射光相对于第二闪耀面和第三闪耀面的反射光方向，对应的衍射主极大方向上的衍射波长分别为第二闪耀面和第三闪耀面的闪耀波长，各闪耀面在衍射主极大方向上的衍射波长不同；

3)根据中阶梯光谱仪使用波段范围，设计三个闪耀角对应的闪耀面，各相邻闪耀面闪耀角差值的大小关系，以满足衍射能量叠加峰值趋向于相等为准；

4)根据三闪耀波长在像面上光能量相等的条件，设计三个闪耀面的闪耀面宽度t₁、t₂和t₃；

5)当有三个闪耀面时，中阶梯光栅衍射能量在像面上的分布为三个闪耀面的闪耀波长作为中心波长的光谱能量分布的叠加，由于各闪耀面衍射主极大方向上对应的衍射波长不同，从而拓宽了衍射能量在像面上分布的光谱范围。

本发明的有益效果在于：本发明可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法，在中阶梯光栅的同一刻槽内设计三个不同闪耀角的闪耀面，形成三闪耀面的中阶梯光栅，使得在像面上的一个比较宽的光谱范围内都具有较强的光谱强度，中阶梯光栅光谱能量分布沿波长展宽，从而达到在宽光谱范围内具有较强光谱强度的目的，拓宽了探测面上的光谱范围，能够探测到单闪耀面中阶梯光栅光谱仪在像面上光谱能量边缘无法探测到的波长信息。

附图说明

图1为本发明设计的三闪耀面中阶梯光栅示意图；

图2为本发明三闪耀面中阶梯光栅的衍射光强分布示意图。

具体实施方式

如图1所示设计的三闪耀面中阶梯光栅示意图，三闪耀面中阶梯光栅的具体设计步骤是：

a、在中阶梯光栅刻槽中，设计具有三个不同闪耀角的闪耀面，闪耀面1在中间，闪耀面2和闪耀面3在闪耀面1两边，闪耀面1的闪耀角为θ_b1、闪耀面2的闪耀角为θ_b2、闪耀面3的闪耀角为θ_b3，并且设计后闪耀面从光栅基底开始沿着顺时针或逆时针方向闪耀角依次减小，θ_b3<θ_b1<θ_b2。

b、根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ_b，对于同一束平行入射光A、B、C，垂直于闪耀面1入射，闪耀面1符合Littrow自准直入射条件，闪耀面1的衍射主极大方向为垂直于闪耀面1的反射光方向(如图中A’方向)，对应的衍射波长为闪耀面1的闪耀波长；由于入射光不垂直于闪耀面2和闪耀面3，因此闪耀面2和闪耀面3的衍射主极大方向为入射光相对于闪耀面2和闪耀面3的反射光方向(如图1中的B’和C’)，对应的衍射主极大方向上的衍射波长分别为闪耀面2和闪耀面3的闪耀波长，各闪耀面在衍射主极大方向上的衍射波长不同。

c、根据中阶梯光谱仪使用波段范围，设计三个闪耀角对应的闪耀面。

d、各相邻闪耀面闪耀角差值的大小关系，以满足衍射能量叠加峰值趋向于相等为准。

e、根据三闪耀波长在像面上光能量相等的条件，设计三个闪耀面的闪耀面宽度t₁、t₂和t₃。

f、当有三个闪耀面时，中阶梯光栅衍射能量在像面上的分布为三个闪耀面的闪耀波长作为中心波长的光谱能量分布的叠加，由于各闪耀面衍射主极大方向上对应的衍射波长不同，从而拓宽了衍射能量在像面上分布的光谱范围，能够探测到单闪耀面中阶梯光栅光谱仪在像面上光谱能量边缘无法探测到的波长信息。

如图2所示三闪耀面中阶梯光栅的衍射光强分布示意图，根据光栅方程(d(sinα+sinβ)＝mλ_b)，由于闪耀面(1、2、3)对应闪耀角(θ_b1、θ_b2、θ_b3)不同，因此其衍射的中心波长也不同。图中λ_m1、λ_m2、λ_m3(m＝1、2、3、4……..)为闪耀面1、2、3对应的中心波长在像面上的衍射光强分布，也是三闪耀面对应的第m级次的闪耀波长在像面上的衍射光强分布。三闪耀面衍射光谱强度分布在像面上交叉叠加，使得中阶梯光栅在像面上的光谱能量分布展宽，从而达到在宽光谱范围内具有较强光谱强度的目的，拓宽了探测面上的光谱范围，能够探测到单闪耀面中阶梯光栅光谱仪在像面上光谱能量边缘无法探测到的波长信息。

Claims (1)

1.一种可拓宽探测光谱范围的三闪耀面中阶梯光栅的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)在中阶梯光栅刻槽中，设计具有三个不同闪耀角的闪耀面，第一闪耀面在中间，第二闪耀面和第三闪耀面在第一闪耀面两边，第一闪耀面的闪耀角为θ_b1、第二闪耀面的闪耀角为θ_b2、第三闪耀面的闪耀角为θ_b3，并且设计后闪耀面从光栅基底开始沿着顺时针或逆时针方向闪耀角依次减小，θ_b3<θ_b1<θ_b2；

2)根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ_b，其中d是光栅常数，α是入射角，β是衍射角，m是衍射级次，λ_b是在m级次下的闪耀波长，对于同一束平行入射光垂直于第一闪耀面入射，第一闪耀面符合Littrow自准直入射条件，第一闪耀面的衍射主极大方向为垂直于第一闪耀面的反射光方向，对应的衍射波长为闪耀面的闪耀波长；由于入射光不垂直于第二闪耀面和第三闪耀面，因此第二闪耀面和第三闪耀面的衍射主极大方向为入射光相对于第二闪耀面和第三闪耀面的反射光方向，对应的衍射主极大方向上的衍射波长分别为第二闪耀面和第三闪耀面的闪耀波长，各闪耀面在衍射主极大方向上的衍射波长不同；

3)根据中阶梯光谱仪使用波段范围，设计三个闪耀角对应的闪耀面，各相邻闪耀面闪耀角差值的大小关系，以满足衍射能量叠加峰值趋向于相等为准；

4)根据三闪耀波长在像面上光能量相等的条件，设计三个闪耀面的闪耀面宽度t₁、t₂和t₃；

5)当有三个闪耀面时，中阶梯光栅衍射能量在像面上的分布为三个闪耀面的闪耀波长作为中心波长的光谱能量分布的叠加，由于各闪耀面衍射主极大方向上对应的衍射波长不同，从而拓宽了衍射能量在像面上分布的光谱范围。