[發明專利]一種閃耀透射光柵型光譜儀

有效

• 申請號: 202210104180.2
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114440772B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 盧榮勝;談士濤
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/06;G01J3/18;G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

1.一種閃耀透射光柵型光譜儀，其特征是依次包括：Y型多模耦合光纖(10)、準直鏡頭(11)、閃耀透射光柵(12)、聚焦鏡頭(13)、探測器(14)，且在所述準直鏡頭(11)、閃耀透射光柵(12)、聚焦鏡頭(13)的可鍍膜表面分別鍍有可見光波段的增透膜；

所述Y型多模耦合光纖(10)為一分二的光纖類型，將所述Y型多模耦合光纖(10)的出射端口O的纖芯直徑a作為閃耀透射光柵型光譜儀的入口狹縫寬度和高度；

所述準直鏡頭(11)是由消色差透鏡(110)和伽利略擴束鏡頭(111)組成的復合結構；令所述準直鏡頭(11)的物方焦點與所述出射端口O重合，使得所述準直鏡頭(11)能對來自Y型多模耦合光纖(10)的出射端口O的發散光進行準直，以達到閃耀透射光柵(12)的平行光照明條件；

所述閃耀透射光柵(12)將來自準直鏡頭(11)的平行復色光按波長不同分成具有不同衍射角的平行光束組，且每組平行光束均為單色光；將所述閃耀透射光柵(12)相對于所述準直鏡頭(11)出射平行光束的偏轉角記為最佳入射角i_opt；

所述聚焦鏡頭(13)是三片式無限共軛Cooke物鏡結構，并包括第一透鏡(130)、第二透鏡(131)、第三透鏡(132)；所述聚焦鏡頭(13)將閃耀透射光柵(12)分光后的平行光束組聚焦至探測器(14)的光敏面；且所述聚焦鏡頭(13)的光軸OZ'與平分衍射角2Ω的衍射波長λ_c的中心衍射光束重合；

所述探測器(14)為線陣CCD，并用于接收來自前方聚焦鏡頭(13)出射的光束以采集光譜數據，所述探測器(14)的中心線處于整個光路結構的主平面或子午面內，且所述探測器(14)的光敏面與所述聚焦鏡頭(13)的后焦平面之間存在一個傾斜角ψ。

2.一種基于權利要求1所述的閃耀透射光柵型光譜儀，其特征是，所述伽利略擴束鏡頭(111)為用于固定光譜分辨率設計的定焦擴束器(20)；

所述定焦擴束器(20)是由雙膠合消色差負透鏡(200)和消色差正透鏡(201)組成，且兩者之間的間距為固定值；

所述雙膠合消色差負透鏡(200)用于對來自消色差透鏡(110)的準直光束進行發散擴束；

所述消色差正透鏡(201)用于對來自消色差負透鏡(200)的發散光束進行準直。

3.一種基于權利要求1所述的閃耀透射光柵型光譜儀，其特征是，所述伽利略擴束鏡頭(111)為用于可調光譜分辨率設計的變焦擴束器(21)；

所述變焦擴束器(21)是由雙分離消色差負透鏡(210)和消色差正透鏡(211)組成，且雙分離消色負透鏡(210)中的兩個單透鏡之間的間距可調、雙分離消色差負透鏡(210)和消色差正透鏡(211)之間的間距可調；

所述雙分離消色差負透鏡(210)用于對來自消色差透鏡(110)的準直光束進行發散擴束；

所述消色差正透鏡(211)用于對來自雙分離消色差負透鏡(210)的發散光束進行準直。

4.根據權利要求1所述的閃耀透射光柵型光譜儀，其特征是，所述最佳入射角i_opt是按照如下步驟確定：

步驟1.利用式(1)建立閃耀透射光柵(12)的改進擴展標量理論模型：

式(1)中，E_l和E_r分別表示閃耀面入射的主衍射子場和被動面入射的主衍射子場，E_lre和E_rre分別表示被動面入射的附加衍射子場和閃耀面入射的附加衍射子場；T_l1、T_l2表示閃耀面入射的主衍射子場E_l的兩個振幅透射系數，T_r1、T_r2表示被動面入射的主衍射子場E_r的兩個振幅透射系數，T_lre1、T_lre2表示被動面入射的附加衍射子場E_lre的兩個振幅透射系數，T_rre1、T_rre2表示被動面入射的附加衍射子場E_rre的兩個振幅透射系數；R_lre、R_rre分別表示被動面入射的附加衍射子場E_lre和閃耀面入射的附加衍射子場E_rre的振幅反射系數；j是復數域的虛數單位；λ是波長；Δ_l、Δ_r、Δ_lre、Δ_rre分別表示四個衍射子場的光束從光柵平面到光柵底面的光程；C_l、C_r、C_lre、C_rre分別表示用于四個衍射子場計算的菲涅爾余弦積分，S_l、S_r、S_lre、S_rre分別表示用于四個衍射子場計算的菲涅爾正弦積分；C_l+jS_l、C_r+jS_r、C_lre+jS_lre、C_rre+jS_rre分別表示四個衍射子場在邊緣衍射的半無限平面內的Cornu螺旋線方程；

步驟2.利用式(2)～(3)獲得四個衍射子場在TM偏振平面波入射下的振幅透射系數T_p和振幅反射系數R_p'，以及在TE偏振平面波入射下的振幅透射系數T_s和振幅反射系數R_s'；

式(2)～(3)中，TM偏振平面波入射下的振幅透射系數T_p的下標p分別依次取l1、l2、r1、r2、lre1、lre2、rre1、rre2，即分別是在TM偏振下的8個振幅透射系數；TM偏振平面波入射下的振幅反射系數R_p'的下標p'分別依次取lre、rre，即分別是在TM偏振下的2個振幅反射系數；TE偏振平面波入射下的振幅透射系數T_s的下標s分別依次取l1、l2、r1、r2、lre1、lre2、rre1、rre2，即分別是在TE偏振下的8個振幅透射系數；TE偏振平面波入射下的振幅反射系數R_s'的下標s'分別依次取lre、rre，即分別是在TE偏振下的2個振幅反射系數；χ_a是表示角度的形式符號，且分別依次取α₁、α₁₁、γ₁、γ₁₁、μ₁、μ₁₁、υ₁、υ₁₁，χ_b是表示角度的形式符號，且分別依次取α₂、α₂₂、γ₂、γ₂₂、μ₂、μ₂₂、υ₂、υ₂₂；是表示角度的形式符號，且分別依次取γ₁、α₁，是表示角度的形式符號，且分別依次取γ₂、α₂；α₁、α₂分別表示閃耀面入射的主衍射子場E_l的光束相對于閃耀透射光柵(12)閃耀面的入射角和折射角，γ₁、γ₂分別表示被動面入射的主衍射子場E_r的光束相對于閃耀透射光柵(12)被動面的入射角和折射角，μ₁、μ₂分別表示被動面入射的附加衍射子場E_lre的光束相對于閃耀透射光柵(12)閃耀面的入射角和折射角，υ₁、υ₂分別表示閃耀面入射的附加衍射子場E_rre的光束相對于閃耀透射光柵(12)被動面的入射角和折射角；α₁₁、γ₁₁、μ₁₁、υ₁₁分別表示四個衍射子場光束相對于閃耀透射光柵(12)底面的入射角；α₂₂、γ₂₂、μ₂₂、υ₂₂分別表示四個衍射子場光束相對于閃耀透射光柵(12)底面的折射角；

步驟3.結合Snell定律和幾何光學原理，計算得到四個衍射子場光束從光柵平面到光柵底面的光程Δ_l、Δ_r、Δ_lre、Δ_rre；

步驟4.利用式(4)求解四個衍射子場在邊緣衍射的半無限平面內的Cornu螺旋線方程C_l+jS_l、C_r+jS_r、C_lre+jS_lre、C_rre+jS_rre：

在式(4)中，k表示任意一個衍射子場的下標，且k∈{l,r,lre,rre}；ζ(ω_k)、ξ(ω_k)分別是下標為k的衍射子場的菲涅爾余弦積分函數和菲涅爾正弦積分函數；ω_k分別表示下標為k的衍射子場在邊緣衍射的半無限平面內Cornu螺旋線方程中的點；r_k分別表示下標為k的衍射子場在閃耀透射光柵(12)底面的觀察點X到邊緣衍射的半無限平面的距離；θ_k分別表示下標為k的衍射子場相對于邊緣衍射的半無限平面的觀察角；ε_k分別表示下標為k的衍射子場相對于邊緣衍射的半無限平面的入射角；

步驟5.利用式(5)對四個衍射子場在閃耀透射光柵(12)底面的觀察點位置的有效范圍進行限定：

式(5)中x_l、x_r、x_lre、x_rre分別是四個衍射子場照射至閃耀透射光柵(12)底面的觀察點位置；h是閃耀透射光柵(12)凹槽輪廓的高度；d是閃耀透射光柵(12)凹槽頂點在其光柵周期方向上的距離；Λ是閃耀透射光柵(12)的光柵周期；σ是閃耀透射光柵(12)的閃耀角；β是閃耀透射光柵(12)的被動角；i是平行光束相對于閃耀透射光柵(12)光柵平面法線的入射角；

步驟6.利用式(6)建立平行光入射條件下，四個衍射子場入射光束相對于入射角i的約束關系，以實現四個衍射子場的角度統一：

步驟7.結合式(1)并基于步驟2，利用式(7)得到閃耀透射光柵(12)分別在TM和TE偏振平面波入射下的總衍射效率η_TM(λ,i)和η_TE(λ,i)，并將η_TE(λ,i)和η_TM(λ,i)的均方根η(λ,i)作為閃耀透射光柵(12)在非偏振平面波入射下的衍射效率：

式(7)中，q分別取TM、TE，m表示衍射級次，且m＝1；λ表示波長，且Λ/λ＞2.3；

步驟8.設定閃耀透射光柵(12)的參數，包括：光柵周期Λ、閃耀角σ、被動角β，基底材料n₂，并考慮光柵的陰影效應和光學元件孔徑對入射角i的限制，給定入射角i范圍i_min～i_max；

步驟9.將步驟8中所設定的參數代入均方根η(λ,i)中，獲得在不同入射角i下，閃耀透射光柵(12)衍射效率和波長λ的關系曲線，然后對所述關系曲線進行分析以得到最佳入射角i_opt。