CN114295208B - 双光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双光栅光谱仪，包括激光器、准直透镜组、平行双光栅组件、非球面聚焦透镜组和面阵探测器；其中，激光器发出的激光照射到被测样品激发出信号光，信号光经准直透镜组准直为平行光后入射至平行双光栅组件，信号光在平行双光栅组件内进行若干次色散分光后入射到非球面聚焦透镜组，经非球面聚焦透镜组消像差后被面阵探测器接收。本发明采用两个平行交错放置的平面反射光栅作为平行双光栅组件，因其独特的衍射特性，能够极大地增强平行双光栅组件的角色散能力，是同等光栅周期的平面光栅的上百倍，这使得光谱仪拥有超高的分辨率，可以达到皮米量级。平行双光栅组件还具有一定的抗杂散光能力。

Description

双光栅光谱仪

技术领域

本发明涉及超高分辨率光谱仪技术领域，特别涉及一种双光栅光谱仪。

背景技术

按照工作原理，光谱仪可以分为干涉型光谱仪和色散型光谱仪。色散型光谱仪因工作原理简单、光谱数据读出速度快等优点，作为最常用的光谱仪器之一。色散型光谱仪利用色散元件对信号光进行分光，得到波长-强度曲线，从而对物质进行成分分析，其通常使用光栅作为色散元件。然而，传统的光栅光谱仪的信号光只经过一次光栅，只能对信号光进行一次衍射分光，在这种条件下，光栅能够提供的色散能力不高。例如Czerny-Turner光谱仪，采用离轴反射式光路结构，信号光依次通过狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜到达出射狭缝或探测器，其光谱分辨率一般在纳米量级。如果想进一步提高光谱仪的分辨率，需要刻线密度更高的、面积更大的光栅，同时采用更长焦距的透镜，导致系统体积增大。其他提高光谱分辨率的方法例如级联多个光谱仪，这不仅使得系统更加庞大复杂，无法适应对载荷有要求的环境，同时也增加了仪器成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种双光栅光谱仪，在不增大系统体积的情况下，实现光谱仪的超高分辨率。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的双光栅光谱仪，包括激光器、准直透镜组、平行双光栅组件、非球面聚焦透镜组和面阵探测器；其中，激光器发出的激光照射到被测样品激发出信号光，信号光经准直透镜组准直为平行光后入射至平行双光栅组件，信号光在平行双光栅组件内进行若干次色散分光后入射到非球面聚焦透镜组，经非球面聚焦透镜组消像差后被面阵探测器接收。

优选地，平行双光栅组件包括两个平面反射光栅，两个平面反射光栅平行且交错放置，并且两个平面反射光栅的刻线方向相同。

优选地，两个平面反射光栅的衍射级次相同。

优选地，信号光在平行双光栅组件的传播过程满足如下公式：

其中，d₁、d₂分别为两个平面反射光栅的光栅周期；i为信号光入射平行双光栅组件的角度，θ为信号光的衍射角；m为衍射级次；λ为信号光的波长；N表示信号光在平行双光栅组件内的反射次数；当N为奇数时，x＝1；当N为偶数时，x＝2。

优选地，当N为奇数时，平行双光栅组件的色散方程为：

优选地，当N为偶数时，平行双光栅组件的色散方程为：

与现有技术相比，本发明的平行双光栅组件采用两个平行交错放置的平面反射光栅，因其独特的衍射特性，能够极大地增强平行双光栅组件的角色散能力，是同等光栅周期的平面光栅的上百倍，这使得光谱仪拥有超高的分辨率，可以达到皮米量级。平行双光栅组件还具有一定的抗杂散光能力。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的双光栅光谱仪的结构示意图。

其中的附图标记包括：激光器1、准直透镜组2、平行双光栅组件3、第一平面反射光栅301、第二平面反射光栅302、非球面聚焦透镜组4、面阵探测器5、被测样品6。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的双光栅光谱仪的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的双光栅光谱仪，包括：激光器1、准直透镜组2、平行双光栅组件3、非球面聚焦透镜组4和面阵探测器5。

激光器1发射出的激光照射被测样品6激发出信号光，信号光通过准直透镜组2准直为平行光，随后入射至平行双光栅组件3。信号光在平行双光栅组件3内经过多次色散分光后从平行双光栅组件3射出，再经过非球面聚焦透镜组4消像差后达到面阵探测器5，被面阵探测器5接收，获得光谱数据。

在本发明实施例中，平行双光栅组件3包括第一平面反射光栅301和第二平面反射光栅302，第一平面反射光栅301和第二平面反射光栅302平行交错放置，以预留出信号光的入射区域，第一平面反射光栅301与第二平面反射光栅302的刻线方向相同，第一平面反射光栅301与第二平面反射光栅302刻线的一面相隔一定的距离，使得信号光能够在第一平面反射光栅301与第二平面反射光栅302之间进行多次反射。

由于第一平面反射光栅301与第二平面反射光栅302平行的位置关系及各自的衍射效应，信号光在平行双光栅组件3内会在第一平面反射光栅301与第二平面反射光栅302之间来回反射，每当经过第一平面反射光栅301或第二平面反射光栅302，信号光就会发生一次色散分光，在经历过若干次的色散分光后从平行双光栅组件3中出射，信号光随后通过非球面聚焦透镜组4消除像差后进入面阵探测器5，不同波长的光聚焦在面阵探测器5的不同位置。

由于信号光在平行双光栅组件3内进行多次色散分光，不同级次衍射光的出射角差会在后续传播过程中进一步扩大，因此平行双光栅组件3具有一定的抗杂散光能力。

由于平行双光栅组件3能够对信号光进行多次衍射，因此平行双光栅组件3具有非常强的角色散能力。平行双光栅组件3的角色散能力是同等光栅周期的平面光栅的上百倍，这使得光谱仪拥有超高的分辨率，可以达到皮米量级。

依靠对信号光多次衍射的原理工作，信号光在平行双光栅组件3的传播过程满足如下公式：

其中，d₁、d₂分别为第一平面反射光栅301和第二平面反射光栅302的光栅周期；i为信号光入射平行双光栅组件3的角度，θ为信号光的衍射角；m为衍射级次；λ为信号光的波长；N表示信号光在平行双光栅组件3内的反射次数；当N为奇数时，x＝1；当N为偶数时，x＝2。

当N为奇数时，平行双光栅组件3的色散方程为：

当N为偶数时，平行双光栅组件3的色散方程为：

本发明采用非球面聚焦透镜组4，对光谱仪的像差进行补偿，从而提高光谱仪的光谱分辨率，并能够增大接收角，提高光通量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种双光栅光谱仪，其特征在于，包括激光器、准直透镜组、平行双光栅组件、非球面聚焦透镜组和面阵探测器；其中，所述激光器发出的激光照射到被测样品激发出信号光，所述信号光经所述准直透镜组准直为平行光后入射至所述平行双光栅组件，所述信号光在所述平行双光栅组件内进行若干次色散分光后入射到所述非球面聚焦透镜组，经所述非球面聚焦透镜组消像差后被所述面阵探测器接收；

所述平行双光栅组件包括两个平面反射光栅，两个平面反射光栅平行且交错放置，并且两个平面反射光栅的刻线方向相同；

所述两个平面反射光栅的衍射级次相同；

所述信号光在所述平行双光栅组件的传播过程满足如下公式：

其中，d₁、d₂分别为两个平面反射光栅的光栅周期；i为所述信号光入射所述平行双光栅组件的角度，θ为所述信号光的衍射角；m为衍射级次；λ为所述信号光的波长；N表示所述信号光在所述平行双光栅组件内的反射次数；当N为奇数时，x＝1；当N为偶数时，x＝2；

当N为奇数时，所述平行双光栅组件的色散方程为：

当N为偶数时，所述平行双光栅组件的色散方程为：

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