張洋+楊增鵬+孟祥月+屈中權(quán)+楊乾+呂憲魁+羅艷琳+方玉萍+杜德偉+馮潔+楊衛(wèi)平

摘要：簡述了光譜儀的原理、階梯光柵的基本原理和光柵光譜儀的特性參數(shù)。針對目前國內(nèi)正在研制的光纖陣列太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，提供了一種太陽光柵光譜儀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)太陽光柵光譜儀接收整個(gè)太陽光譜的要求，該方案采用了雙狹縫設(shè)計(jì)。根據(jù)太陽光柵光譜儀尺寸大、分辨率高、色散大的特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)方案采用了白瞳設(shè)計(jì)，并對結(jié)構(gòu)中各個(gè)元件的選擇進(jìn)行簡要闡述。光譜儀采用光纖接入，光柵工作在準(zhǔn)Littrow角條件下，以獲得高衍射效率，同時(shí)輔以棱鏡增大橫向色散，分開重疊的光譜級次。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以有效地縮小光譜儀尺寸。

關(guān)鍵詞： 光柵光譜儀； 分辨率； 雙狹縫； 白瞳設(shè)計(jì)

中圖分類號： TH 744.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.015

文章編號： 1005-5630（2017）02-0081-08

引 言

太陽與人類的生活息息相關(guān)，它是地球能量的最主要來源。為了獲得太陽爆發(fā)活動的清晰物理圖像，解釋太陽劇烈活動爆發(fā)的物理機(jī)制，對空間天氣預(yù)報(bào)，特別是空間災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)警，需要對太陽光譜進(jìn)行分析。在我國制定的“十二五”科學(xué)技術(shù)長期發(fā)展規(guī)劃中，明確將空間災(zāi)害天氣的預(yù)警和預(yù)報(bào)列為亟待攻克的科學(xué)難題。同時(shí)地球大氣、陸地表面、海洋、土壤對太陽輻射的吸收或反射具有很強(qiáng)的波長依賴性[1-4]，因此分析太陽光譜有利于更加準(zhǔn)確地分析地球的天氣和生態(tài)環(huán)境的變化[5-7]。

隨著世界各國對太陽的探索欲增強(qiáng)，各國正在爭相研制大口徑天文望遠(yuǎn)鏡。美國預(yù)計(jì)于2019年完成4 m口徑的美國高技術(shù)太陽望遠(yuǎn)鏡（ATST）項(xiàng)目，同時(shí)十多個(gè)歐盟國家聯(lián)合研制與ATST媲美的歐洲太陽望遠(yuǎn)鏡（EST）[8]，目前我國正在研制光纖陣列太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（FASOT）和中國大型太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（CGST），旨在改變我國太陽物理研究全面落后的局面。對于望遠(yuǎn)鏡接收到的天體光譜來說，制作一臺高分辨率的光譜儀就顯得尤為重要。

光譜儀的種類很多，按照其色散原理可將儀器分為棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、干涉光譜儀。其中光柵光譜儀是應(yīng)用最為廣泛的光譜儀器之一，具有較高的光譜分辨率和信噪比。隨著光柵刻劃技術(shù)的發(fā)展，光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)得到有效改進(jìn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 光譜儀原理及結(jié)構(gòu)

光譜儀是將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器，由色散元件（棱鏡、光柵、棱柵等）構(gòu)成，利用光譜儀器可以測量物體表面反射的光譜。

光譜儀主要由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件、聚焦鏡、探測器組成，其原理如圖1所示。來自光纖的光通過入射狹縫進(jìn)入光譜儀，通過準(zhǔn)直鏡將發(fā)散的光束變?yōu)槠叫泄馐?，色散元件將平行光分解為不同波長的光，再經(jīng)過聚焦鏡將不同波長的光會聚到探測器上成像。

天文光譜儀最常用的色散元件就是光柵[9]。光柵是由很多間隔相等、互相平行的細(xì)縫或者槽組成的，是能對入射光波的振幅或相位進(jìn)行空間周期性調(diào)制，或?qū)φ穹拖辔煌瑫r(shí)進(jìn)行空間周期性調(diào)制的光學(xué)元件。

由光柵方程可以得出：

1） 光柵色散含有多級光譜，包括負(fù)級；

2） 在同一級光譜下，光柵常數(shù)d越小，β越大；

3） 零級光譜的衍射角度也為零，沒有色散，但是光強(qiáng)最大。

普通平面光柵零級的能量最高，但是沒有色散，其他光能分布在不同的級次上，但是每個(gè)級次

上的能量只有很少的一部分，降低了光柵效率。為了克服平面光柵的上述缺陷，Harrison提出了有定向階梯形狀的光柵。這種光柵利用刻刀在反射面上刻劃出鋸齒形的階梯面，使光柵反射的絕大部分光都集中在觀測所需的那一級光譜或者特定波長范圍內(nèi)，這個(gè)確定的波長稱作閃耀波長，這種光柵稱作閃耀光柵[10-11]，如圖2所示，可以將光集中到需要的級次上。

為了得到大信息量、高效率和高分辨率的天體光譜，太陽光柵光譜儀應(yīng)采用階梯光柵[12]。在入射光與衍射光之間的夾角很小時(shí)，階梯光柵通過增大閃耀角β，光柵常數(shù)d和光譜級次m來提高分辨率。階梯光柵具有集光本領(lǐng)，由于使用高級次光譜，發(fā)生任一級色散輻射時(shí)，光柵角度變化相當(dāng)小，所有波長都在接近最合適的閃耀角處測量，而且物鏡焦距短，因而可以獲得最大的光能。

描述光柵光譜儀的特性參數(shù)有角色散、線色散、分辨本領(lǐng)和自由光譜范圍。

1） 角色散

角色散是指兩個(gè)不同波長的光線彼此分開的角距離。對光柵式（1）進(jìn)行微分，入射角為一個(gè)定值，可以得到角色散為

當(dāng)光譜儀工作在Littrow角條件下時(shí)，在一定范圍內(nèi)β變化很小，因此角色散是一個(gè)定值。

2） 線色散

線色散是指兩束不同波長的光線在成像系統(tǒng)焦平面上彼此分開的線距離。設(shè)聚焦鏡的焦距是f2，則線色散為

式中dl表示兩條譜線分開的距離。

角色散和線色散是光譜儀的兩個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，光譜儀的色散愈大，就愈容易將兩條靠近的譜線分開[13]。

3） 分辨本領(lǐng)

根據(jù)幾何光學(xué)中的瑞利判據(jù)，可以得到最小分辨角為

4） 自由光譜范圍

在光柵中，許多高級次光譜是相互重疊在一起的。一般將光柵各級光譜不重疊的部分稱作自由光譜范圍，用Δλm表示。由光柵方程可知，對于同一個(gè)衍射角β，不同級次的光譜的波長λm和m的乘積是一個(gè)常數(shù)，即

由式（6）可以看出，低級次光譜自由光譜范圍大，光譜不易重疊，而對于高級次光譜，光譜重疊現(xiàn)象很嚴(yán)重，因此有時(shí)在光柵后面增加一個(gè)橫向的色散元件來分開各級次光譜。

2 太陽光柵光譜儀方案設(shè)計(jì)

近幾十年中，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑越來越大，使得光譜儀的體積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度逐漸增加；同時(shí)針對光譜儀的高分辨率要求，需要不斷增加光柵的尺寸和聚焦鏡的復(fù)雜度。

目前，我國正在研制光纖陣列太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。若要分析望遠(yuǎn)鏡接收到的太陽光譜，應(yīng)制作一臺太陽光柵光譜儀，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

2.1 狹縫

太陽光柵光譜儀應(yīng)采用光纖接入，光纖內(nèi)徑為35 μm，外徑為125 μm，排列方式為每列900根，共兩排，采用錯(cuò)排的方式。為了保證光強(qiáng)度，應(yīng)盡可能使所有的光全部進(jìn)入狹縫，據(jù)此可計(jì)算出狹縫的寬為0.16 mm，允許的狹縫高度為112.535 mm。

2.2 光柵

根據(jù)國內(nèi)外太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的研究動態(tài)，高分辨率光譜儀采用的分光元件大多為階梯光柵[14]。這主要是因?yàn)殡A梯光柵不僅可以提高光柵效率，將光集中在需要的光譜段，而且大閃耀角的階梯光柵可以提高色散率。

選取Milton Roy公司研制的R4光柵作為色散元件，其閃耀角高達(dá)76°，刻線密度為31.6 lp/mm。當(dāng)光柵工作在準(zhǔn)Littrow角條件下，即α=β=θB，可以獲得最高的光柵效率。因此當(dāng)設(shè)計(jì)參考波長為520 nm時(shí)，由式（1）可得到衍射級次m為118。為了減小成像鏡的尺寸，光柵的角色散應(yīng)該盡可能大，由式（2）可知其在520 nm波長處的最大角色散可達(dá)15 413 rad/mm。

2.3 準(zhǔn)直鏡

設(shè)入射狹縫寬度為a1，入射狹縫產(chǎn)生的像的寬度為a′1。由幾何光學(xué)可知：

則所需光柵的尺寸應(yīng)為500 mm×2 080 mm。

2.4 交叉色散元件

通過階梯光柵進(jìn)行主方向的色散之后，為了分開重疊的光譜級次，需要采用橫向色散元件進(jìn)行與主方向垂直的交叉色散，通常選用棱鏡作為色散元件[15]。

2.5 光譜探測

對于太陽光柵光譜儀，其探測器多采用面陣CCD，像素最高可達(dá)2 048×2 048。由于狹縫尺寸為0.16 mm，因此應(yīng)采用像素間距為16 μm的CCD。

由于CCD探測器是平面探測器，與平場光譜面相配效果較好，所以需要光譜儀在光譜范圍內(nèi)對波長進(jìn)行場曲和色差的校正，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)符合要求的照相鏡。

2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天文光譜儀的結(jié)構(gòu)形式一般有經(jīng)典型和白瞳設(shè)計(jì)。白瞳設(shè)計(jì)是由自準(zhǔn)直型光譜儀改進(jìn)而來的，即在自準(zhǔn)直型光譜儀的焦面處加入一個(gè)場鏡。目前，世界上大口徑天文望遠(yuǎn)鏡所用的光譜儀大多數(shù)采用白瞳設(shè)計(jì)。KECH望遠(yuǎn)鏡的光譜儀采用經(jīng)典型，準(zhǔn)直鏡焦距為4.2 m，口徑為320 mm；VLT望遠(yuǎn)鏡的光譜儀采用白瞳設(shè)計(jì)，準(zhǔn)直鏡焦距為3.05 m，口徑為950 mm；LAMOST望遠(yuǎn)鏡采用白瞳設(shè)計(jì)，準(zhǔn)直鏡焦距為2.6 m，口徑為800 mm。

根據(jù)國內(nèi)外天文光譜儀的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的太陽光柵光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)采用白瞳設(shè)計(jì)，其光路如圖4所示。

光由入射狹縫進(jìn)入，入射到準(zhǔn)直鏡A上變?yōu)槠叫泄夥瓷涞诫A梯光柵上，經(jīng)過階梯光柵色散后由準(zhǔn)直鏡A聚焦，之后由小反射鏡將光路折疊到達(dá)準(zhǔn)直鏡B，通過棱鏡增加橫向色散，進(jìn)入照相鏡中，最后在CCD上成像。

太陽光柵光譜儀需要探測到整個(gè)太陽光譜，與可見光和紅外光波段所使用的光柵不同，因此雙狹縫的設(shè)計(jì)是必須的。設(shè)計(jì)方案如圖5所示，圖中的CCD可以同時(shí)接收可見光和紅外光。

該光學(xué)結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 由于太陽光柵光譜儀中準(zhǔn)直鏡的焦比要和望遠(yuǎn)系統(tǒng)的焦比一致，因此準(zhǔn)直鏡的焦距和口徑較大，白瞳設(shè)計(jì)就是通過兩個(gè)準(zhǔn)直鏡和一個(gè)反射鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直光束的折疊，保證整個(gè)光路的緊湊感，同時(shí)可以消除雜散光，減小光譜儀尺寸；

2） 階梯光柵工作在準(zhǔn)Littrow角條件下，即α=β=θB，這樣可以獲得最高的光柵效率；

3） 此設(shè)計(jì)在各個(gè)元件調(diào)試之后，將會固定每一個(gè)元件，因此沒有可移動的元件，保證了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)系統(tǒng)裝配簡單，對雜散光有很好的抑制效果。

3 結(jié) 論

根據(jù)國內(nèi)外太陽光柵光譜儀設(shè)計(jì)研究，針對太陽光柵光譜儀尺寸大、光路復(fù)雜的問題，闡述了一種設(shè)計(jì)方案。該方案采用了雙狹縫設(shè)計(jì)和白瞳設(shè)計(jì)，同時(shí)利用光路的折疊有效地減小系統(tǒng)尺寸，并且對光譜儀內(nèi)部各個(gè)元件的選擇進(jìn)行簡要說明。整個(gè)系統(tǒng)的仿真、照相鏡的設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步研究。

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（編輯：張磊）