CN109374133B - 一种基于改进型Koster棱镜的非对称空间外差光谱仪 - Google Patents

一种基于改进型Koster棱镜的非对称空间外差光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进型
Figure DDA0001816710790000011
棱镜的非对称空间外差光谱仪，包括：改进型
Figure DDA0001816710790000012
棱镜、视场扩展棱镜、闪耀光栅、成像透镜、探测器。其中，所述改进型
Figure DDA0001816710790000013
棱镜由一个直角棱镜和一个直角梯形棱镜胶合而成，胶合面作为分光面。入射的准直信号光被改进型
Figure DDA0001816710790000014
棱镜的分光面分成两束后，以不同的光程垂直于改进型
Figure DDA0001816710790000015
棱镜的下底面出射，两出射光束分别经视场扩展棱镜折射和光栅衍射后再次进入改进型
Figure DDA0001816710790000016
棱镜，并在其出射面形成干涉，由成像透镜将干涉条纹成像在探测器上。本发明所述的一种基于改进型
Figure DDA0001816710790000017
棱镜的非对称空间外差光谱仪在保证准共路结构设计的同时，可以有效增加两干涉光路的光程差偏置量，提高仪器的多普勒测速灵敏度。

Description

一种基于改进型Koster棱镜的非对称空间外差光谱仪
技术领域
本发明属于光谱仪器和干涉仪器设计领域，涉及一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000012
棱镜的非对称空间外差光谱仪的光学结构设计。
背景技术
2006年，美国海军实验室首先提出一种新型多普勒被动探测技术，多普勒非对称空间外差光谱(DASH)技术。该技术在空间外差光谱(SHS)技术的基础上，加大了其中一臂光栅到分束器的距离。也因此，一方面DASH技术继承了SHS技术大通量、大视场、小尺寸、小体积、轻重量等优点，另一方面拥有了超高的光谱分辨率和高灵敏度干涉仪的功能，可同时实现对目标源的高分辨率光谱探测和高灵敏度多普勒频移探测，大大扩展了空间外差光谱技术的应用范围。
传统DASH光谱仪采用分臂式结构，经分束器分束后的两光束分别射向两个与分束器光程不等的相同衍射光栅后，沿原路返回分束器。由于两光路相互独立，系统的装调精度要求较高。又因为两臂光学元件对周围温度、振动等变化的响应不均匀，两光路引入的光程差误差大小不等，无法相消。因此，尽管传统分臂式DASH结构的理论分辨率很高，但是系统稳定性较差，对周围环境稳定度要求很高。
针对这一问题，Harlander等人提出了一种准共路DASH结构，相应结构的地基氧红线 DASH验证仪器(REDDI)也于2010年研制成功，并进行了验证。REDDI干涉仪部分包括一个由两个大小相同的30°-60°-90°的直角棱镜沿长直角面胶合而成的
Figure BDA0001816710770000013
棱镜、一个视场扩展棱镜、一个闪耀光栅。该结构使从分束器出射的两束光分别通过同一个视场扩展棱镜和闪耀光栅的不同区域，降低了系统的装调难度。另外，由于两光路共用一个视场扩展棱镜和闪耀光栅，周围环境的温度变化或者震动，使两支路的光学元件产生同等程度的变化，降低了光程差对周围环境变化的敏感性，提高了该系统对外界环境的抗干扰能力。
在利用非对称空间外差光谱技术测量多普勒速度时，干涉条纹的相位变化量与两光路的光程差成正比关系。在干涉条纹对比度允许条件下，光程差越大，一定多普勒速度引起的干涉条纹相位变化量越大，相移越明显，探测灵敏度越高。尽管以
Figure BDA0001816710770000014
棱镜作为分束器的准共路结构有如此多的优点，但是与光程差可以很大的传统分臂式结构相比，以
Figure BDA0001816710770000021
棱镜作为分束器的准共路结构中两光路的光程差很小，等于dG·sinθL，其中dG为两光路光栅作用点间的距离。所以，利用非对称空间外差光谱仪进行多普勒速度测量时，对于最优光程差要求较大的目标谱线，若仍采用以
Figure BDA0001816710770000022
棱镜作为分束器的准共路结构，则仪器光学元件的尺寸、体积和重量都会大幅度增加，失去了DASH仪器本来的小尺寸、小体积和轻重量优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有以
Figure BDA0001816710770000023
棱镜作为分束器的非对称空间外差光谱仪光程差偏置量较小的问题，提出一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000024
棱镜的非对称空间外差光谱仪。该光谱仪仍采用准共路结构，通过对
Figure BDA0001816710770000025
棱镜进行改进，使两干涉光路光程差偏置量增加的同时，不会显著增加系统的尺寸和重量，具有体积小、重量轻、稳定性高和测速灵敏度高等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000026
棱镜的非对称空间外差光谱仪，包括：
－改进型
Figure BDA0001816710770000027
棱镜1，用于对入射的准直信号光进行分光，并使分光后的两光束在改进型
Figure BDA0001816710770000028
棱镜1内形成光程差偏置；
－视场扩展棱镜2，用于扩展视场；
－闪耀光栅3，用于对信号光进行色散；
－成像透镜4，用于对干涉条纹成像；
－探测器5，用于接收并记录信号光的干涉条纹。
入射的准直信号光被改进型
Figure BDA0001816710770000029
棱镜1分成两束后，以不同的光程垂直于改进型
Figure BDA00018167107700000210
棱镜1的下底面出射，两出射光束分别经由视场扩展棱镜2折射和闪耀光栅3衍射后再次经过视场扩展棱镜2和改进型
Figure BDA00018167107700000211
棱镜1，并在改进型
Figure BDA00018167107700000212
棱镜1的出射面发生干涉，产生的干涉条纹由成像透镜4成像于探测器5上，探测器5接收和记录的干涉条纹用于光谱数据的反演和测速信息的获取。
进一步的，所述光谱仪的最大有效入射光束口径由所述改进型
Figure BDA00018167107700000213
棱镜1的上底宽度 d0和腰长s决定，且表示为
Figure BDA00018167107700000214
经所述改进型
Figure BDA00018167107700000215
棱镜1分光后的两光路在改进型
Figure BDA00018167107700000216
棱镜1内形成的光程差偏置量由改进型
Figure BDA00018167107700000217
棱镜1的上底宽度d0决定，且表示为
Figure BDA00018167107700000218
其中n1为改进型
Figure BDA00018167107700000219
棱镜1的折射率。
进一步的，所述改进型
Figure BDA0001816710770000031
棱镜1由一个30°-60°-90°直角棱镜11和一个 60°-90°-90°-120°直角梯形棱镜12胶合而成，胶合面13分别是直角棱镜11的长直角面和直角梯形棱镜12的直角腰面，且胶合面13作为分光面，镀有半反半透膜，胶合后形成的改进型
Figure BDA0001816710770000032
棱镜截面呈一个等腰梯形。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、与现有的以
Figure BDA0001816710770000033
棱镜作为分束器的准共路非对称空间外差光谱仪结构相比，本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000034
棱镜的非对称空间外差光谱仪具有更大的光程差偏置量，在不显著增加系统尺寸的同时，提高了系统多普勒测速的灵敏度。
2、与现有的分臂式非对称空间外差光谱仪结构相比，本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000035
棱镜的非对称空间外差光谱仪仍采用了准共路结构，不仅具有较大的光程差偏置量，而且具有装调难度低、稳定性高等优点。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种基于改进型
Figure BDA00018167107700000314
棱镜的非对称空间外差光谱仪结构示意图及当入射光波长为闪耀波长时的光路图；
图中：1为改进型
Figure BDA0001816710770000036
棱镜；11为构成改进型
Figure BDA0001816710770000037
棱镜1的30°-60°-90°直角棱镜； 12为构成改进型
Figure BDA0001816710770000038
棱镜1的60°-90°-90°-120°直角梯形棱镜；13为构成改进型
Figure BDA0001816710770000039
棱镜 1的直角棱镜11和直角梯形棱镜12的胶合面；2为视场扩展棱镜；3为闪耀光栅；4为成像透镜；5为探测器；t为构成改进型
Figure BDA00018167107700000310
棱镜1的直角梯形棱镜12的非直角腰面内入射光入射位置与上底边的距离；d0为构成改进型
Figure BDA00018167107700000311
棱镜1的直角梯形棱镜12的上底边长；s是构成改进型
Figure BDA00018167107700000312
棱镜1的直角棱镜11的斜边长和直角梯形棱镜12的非直角腰边长；θL为闪耀光栅3的Littrow角。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
本发明实施例1，是一个单臂偏置量为21mm，最小可被分辨的波数差为0.6615cm-1，光谱分辨率为23994，自由光谱范围为630～646nm的准共路非对称空间外差光谱仪。如图1所示，本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA00018167107700000313
棱镜的非对称空间外差光谱仪包括：改进型
Figure BDA0001816710770000041
棱镜1；视场扩展棱镜2；闪耀光栅3；成像透镜4；探测器5。其中视场扩展棱镜2 的顶角为9.0562°；闪耀光栅3的Littrow角为10.7°，Littrow波长为630nm；成像镜头的成像比例为1：1；探测器尺寸为1248×1248，像素尺寸为16μm。
沿光轴方向垂直入射的准直信号光被改进型
Figure BDA0001816710770000042
棱镜1分成两束后，以不同的光程垂直于改进型
Figure BDA0001816710770000043
棱镜1的下底面出射，两束平行出射光以最小偏向角分别入射至视场扩展棱镜2的不同区域，然后以闪耀光栅3的Littrow角10.7°分别入射至闪耀光栅3的不同区域并发生衍射，两束衍射光分别再次经过视场扩展棱镜2和改进型
Figure BDA0001816710770000044
棱镜1，并在改进型
Figure BDA0001816710770000045
棱镜1的出射面形成干涉，带有干涉信息的出射光束经过成像透镜4后最终成像在探测器5上。
参见图1，通过几何关系可以得到，所述的一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000046
棱镜的非对称空间外差光谱仪最大有效入射光束口径大小为
Figure BDA0001816710770000047
两支路在改进型
Figure BDA0001816710770000048
棱镜1内形成的光程差偏置量为
Figure BDA0001816710770000049
在全光路中的单臂偏置量为
Figure BDA00018167107700000410
其中 n1为改进型
Figure BDA00018167107700000411
棱镜1的折射率。这里假设最大有效入射光束口径为20mm，即dr＝20mm，同时假设Δd＝21mm，θL＝10.7°，n1＝1.4584，则可得到改进型
Figure BDA00018167107700000412
棱镜1的结构参数d0＝9.9234mm，s＝59.8468mm。此外，系统中两支路的采样光程差可表示为
Figure BDA00018167107700000413
当构成改进型
Figure BDA00018167107700000414
棱镜1的直角梯形棱镜12的非直角腰面内入射光入射位置与上底边的距离t分别取0和20mm时，可得到采样光程差的范围为 34.4420～49.5581mm，由此可计算该非对称空间外差光谱仪最小可分辨的波数差为δσ＝0.6615cm-1。因为光谱分辨率表达式为
Figure BDA00018167107700000415
这里波数σ取波长630nm的倒数，可得到光谱分辨率为23994。又由于光谱波数范围的表达式为
Figure BDA00018167107700000416
其中N为探测器一行的像元数，这里取N＝1248，则可得到自由光谱波数范围为412.8033cm-1，即该非对称空间外差光谱仪的测量自由光谱范围为630～646.8216nm。
另一方面，当利用非对称空间外差光谱仪探测目标谱线的多普勒频移时，系统探测到的谱线相移信息与目标源多普勒速度v的关系可由公式
Figure BDA00018167107700000417
进行反演，其中c为光速，λ为目标谱线波长，
Figure BDA00018167107700000418
为谱线相移量，Δd为单臂偏置量。这里Δd＝21mm，目标谱线的波长630nm，则目标谱线干涉条纹的相移与其多普勒速度的关系为
Figure BDA00018167107700000419
其中
Figure BDA00018167107700000420
的单位为弧度。
将本实施例中的改进型
Figure BDA0001816710770000051
棱镜替换为传统的
Figure BDA0001816710770000052
棱镜，则本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000053
棱镜的非对称空间外差光谱仪将变成以传统
Figure BDA0001816710770000054
棱镜作为分束器的非对称空间外差光谱仪。此时，相当于d0＝0，而其他结构参数(s、θL、n1、N等)值不变。两支路单臂偏置量将减小为Δd＝5.6541mm。最大有效入射光束口径将增大为dr＝29.9234mm，采样光程差范围为0～22.6163mm。则最小可分辨的波数差δσ＝0.4422cm-1，光谱分辨率为35898，测量自由光谱范围为630～641.1445nm。又由公式
Figure BDA0001816710770000055
可计算出利用该非对称空间外差光谱仪进行多普勒速度测量时，波长为630nm的目标谱线干涉条纹的相移与其多普勒速度的关系为
Figure BDA0001816710770000056
其中
Figure BDA0001816710770000057
的单位为弧度。
通过上述计算可以得到，与现有的以
Figure BDA0001816710770000058
棱镜作为分束器的准共路非对称空间外差光谱仪结构相比，本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA0001816710770000059
棱镜的非对称空间外差光谱仪的光谱分辨率有稍许降低，但是相同多普勒速度引起的干涉条纹相位变化量却显著增加，大大提高了仪器的多普勒测速灵敏度。
实施例2
本发明实施例2，是一个单臂偏置量为35mm，最小可被分辨的波数差为0.3544cm-1，光谱分辨率为36982，自由光谱范围为763～780nm的准共路非对称空间外差光谱仪。如图1所示，本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA00018167107700000510
棱镜的非对称空间外差光谱仪包括：改进型
Figure BDA00018167107700000511
棱镜1；视场扩展棱镜2；闪耀光栅3；成像透镜4；探测器5。其中视场扩展棱镜2 的顶角为11.2174°；闪耀光栅3的Littrow角为13.2323°，Littrow波长为763nm；成像镜头的成像比例为1：1；探测器尺寸为2048×2048，像素尺寸为15μm。
沿光轴方向垂直入射的准直信号光被改进型
Figure BDA00018167107700000512
棱镜1分成两束后，以不同的光程垂直于非对称
Figure BDA00018167107700000513
棱镜1的下底面平行出射，两束平行出射光以最小偏向角分别入射至视场扩展棱镜2的不同区域，然后以闪耀光栅3的Littrow角13.2323°分别入射至闪耀光栅3的不同区域并发生衍射，两束衍射光分别再次经过视场扩展棱镜2和改进型
Figure BDA00018167107700000514
棱镜1，并在改进型
Figure BDA00018167107700000515
棱镜1的出射面形成干涉。带有干涉信息的出射光束经过成像透镜4后最终成像在探测器5上。
参见图1，通过几何关系可以得到，所述的一种基于改进型
Figure BDA00018167107700000516
棱镜的非对称空间外差光谱仪最大有效入射光束口径大小为
Figure BDA00018167107700000517
两支路在改进型
Figure BDA00018167107700000518
棱镜1内形成的光程差偏置量为
Figure BDA00018167107700000519
在全光路中的单臂偏置量为
Figure BDA00018167107700000520
其中 n1为改进型
Figure BDA00018167107700000521
棱镜1的折射率。这里假设最大有效入射光束口径为30mm，即dr＝30mm，同时假设Δd＝35mm，θL＝13.2323°，n1＝1.5168，则可得到改进型
Figure BDA0001816710770000061
棱镜1的结构参数d0＝14.6971mm，s＝89.3942mm。此外，系统中两支路的采样光程差可表示为
Figure BDA0001816710770000062
当构成改进型
Figure BDA0001816710770000063
棱镜1的直角梯形棱镜12的非直角腰面内入射光入射位置与上底边的距离t分别取0和30mm时，可得到采样光程差的范围为 55.8914～84.1086mm，由此可计算该非对称空间外差光谱仪最小可分辨的波数差为δσ＝0.3544cm-1。因为光谱分辨率表达式为
Figure BDA0001816710770000064
这里波数σ取波长763nm的倒数，则可得到光谱分辨率为36982。又由于光谱波数范围的表达式为
Figure BDA0001816710770000065
其中N为探测器一行的像元数，这里取N＝2048，则可得到自由光谱波数范围为362.9002cm-1，即该非对称空间外差光谱仪的测量自由光谱范围为763～784.7286nm。
另一方面，当利用非对称空间外差光谱仪探测目标谱线的多普勒频移时，系统探测到的谱线相移信息与目标源多普勒速度v的关系可由公式
Figure BDA0001816710770000066
进行反演，其中c为光速，λ为目标谱线波长，
Figure BDA0001816710770000067
为谱线相移量，Δd为单臂偏置量。这里Δd＝35mm，目标谱线的波长763nm，则目标谱线干涉条纹的相移与其多普勒速度的关系为
Figure BDA0001816710770000068
其中
Figure BDA0001816710770000069
的单位为弧度。
将本实施例中的改进型
Figure BDA00018167107700000610
棱镜替换为传统的
Figure BDA00018167107700000611
棱镜，则本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA00018167107700000612
棱镜的非对称空间外差光谱仪将变成以传统
Figure BDA00018167107700000613
棱镜作为分束器的非对称空间外差光谱仪。此时，相当于d0＝0，而其他结构参数(s、θL、n1、N等)值不变。两支路单臂偏置量将减小为Δd＝10.5102mm。最大有效入射光束口径将增大为dr＝44.6971mm，采样光程差范围为0～42.0408mm。则最小可分辨的波数差δσ＝0.2379cm-1，光谱分辨率为55099，测量自由光谱范围为763～777.4486nm。又由公式
Figure BDA00018167107700000614
可计算出利用该非对称空间外差光谱仪进行多普勒速度测量时，波长为763nm的目标谱线干涉条纹的相移与其多普勒速度的关系为
Figure BDA00018167107700000615
其中
Figure BDA00018167107700000616
的单位为弧度。
通过上述计算可以得到，与现有的以
Figure BDA00018167107700000617
棱镜作为分束器的准共路非对称空间外差光谱仪结构相比，本发明所述的一种基于改进型
Figure BDA00018167107700000618
棱镜的非对称空间外差光谱仪的光谱分辨率有稍许降低，但是相同多普勒速度引起的干涉条纹相位变化量却显著增加，大大提高了仪器的多普勒测速灵敏度。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于改进型
Figure FDA0002553860470000011
棱镜的非对称空间外差光谱仪，其特征在于，包括：
－改进型
Figure FDA0002553860470000012
棱镜(1)，用于对入射的准直信号光进行分光，并使分光后的两光束在改进型
Figure FDA0002553860470000013
棱镜(1)内形成光程差偏置；改进型
Figure FDA0002553860470000014
棱镜(1)由一个30°-60°-90°直角棱镜(11)和一个60°-90°-90°-120°直角梯形棱镜(12)胶合而成，胶合面(13)分别是直角棱镜(11)的长直角面和直角梯形棱镜(12)的直角腰面，且胶合面(13)作为分光面，镀有半反半透膜，胶合后形成的改进型
Figure FDA0002553860470000015
棱镜(1)，其截面呈一个等腰梯形；
－视场扩展棱镜(2)，用于扩展视场；
－闪耀光栅(3)，用于对信号光进行色散；
－成像透镜(4)，用于对干涉条纹成像；
－探测器(5)，用于接收并记录信号光的干涉条纹；
入射的准直信号光被改进型
Figure FDA0002553860470000016
棱镜(1)分成两束后，以不同的光程垂直于改进型
Figure FDA0002553860470000017
棱镜(1)的下底面出射，两出射光束分别经由视场扩展棱镜(2)折射和闪耀光栅(3)衍射后再次经过视场扩展棱镜(2)和改进型
Figure FDA0002553860470000018
棱镜(1)，并在改进型
Figure FDA0002553860470000019
棱镜(1)的出射面发生干涉，产生的干涉条纹由成像透镜(4)成像于探测器(5)上，探测器(5)接收和记录的干涉条纹用于光谱数据的反演和测速信息的获取。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进型
Figure FDA00025538604700000110
棱镜的非对称空间外差光谱仪，其特征在于：光谱仪的最大有效入射光束口径由所述改进型
Figure FDA00025538604700000111
棱镜(1)的上底宽度d0和腰长s决定，且表示为
Figure FDA00025538604700000112
经所述改进型
Figure FDA00025538604700000119
棱镜(1)分光后的两光路在改进型
Figure FDA00025538604700000113
棱镜(1)内形成的光程差偏置量由改进型
Figure FDA00025538604700000114
棱镜(1)的上底宽度d0决定，且表示为
Figure FDA00025538604700000115
其中n1为改进型
Figure FDA00025538604700000118
棱镜(1)的折射率。
3.一种改进型
Figure FDA00025538604700000116
棱镜(1)，其特征在于：由一个30°-60°-90°直角棱镜(11)和一个60°-90°-90°-120°直角梯形棱镜(12)胶合而成，胶合面(13)分别是直角棱镜(11)的长直角面和直角梯形棱镜(12)的直角腰面，且胶合面(13)作为分光面，镀有半反半透膜，胶合后形成的改进型
Figure FDA00025538604700000117
棱镜(1)，其截面呈一个等腰梯形。
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