基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀的制作方法
【專利摘要】基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀屬于光譜分析儀器領(lǐng)域，該光電接收器由兩片不同響應(yīng)波段的光電探測器同軸疊層制作而成，兩片探測器使用同一光學(xué)窗口；該光柵單色儀同時使用一級和二級衍射光作為有效工作級次，光電探測器同時、分別接收對應(yīng)的一級和二級衍射光。本發(fā)明僅通過光電探測器與光柵雙衍射級次的匹配實現(xiàn)寬光譜、高衍射效率的光譜信號探測，提高了光能利用率，降低了光譜儀的整體偏振靈敏性；光電探測器避免了額外分色元件的使用，簡化了光路、縮減了儀器體積；縮短了掃描時間；使用一片光柵，提高了穩(wěn)定性、減少了光柵使用數(shù)目，降低了成本。
【專利說明】基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜分析儀器領(lǐng)域，涉及一種使用雙色探測器的、雙衍射級次同時共路探測的光柵掃描式光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的光譜儀一般都是由光路結(jié)構(gòu)和探測結(jié)構(gòu)組成。光譜儀器依據(jù)其光譜探測記錄方式，常分為單色儀和攝譜儀兩大類。以單色儀為核心結(jié)構(gòu)的掃描式光譜儀因其光學(xué)結(jié)構(gòu)易設(shè)計加工、波長分辨率和光譜范圍設(shè)置靈活、容易實現(xiàn)光譜過采樣等優(yōu)點，在非快速檢測領(lǐng)域仍然占據(jù)不可替代的位置。
[0003]當前以光柵單色儀加單點光電探測器結(jié)構(gòu)的光譜儀(后面內(nèi)容以“光柵光譜儀”指代)可以通過使用高刻線密度光柵、增加焦距、提高狹縫采樣密度或減小狹縫寬度等方法較容易的實現(xiàn)高波長分辨率目的，拓展工作波長范圍的方法主要有雙光柵或三光柵塔臺切換、使用分色器對單光柵的雙衍射級次分離探測及采用雙閃耀光柵等方法。其中光柵塔臺切換方法在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為成熟和普及，但需配備多塊光柵，提高了成本，光柵的來回切換也會降低波長標度的穩(wěn)定性；分色器方法因需加入額外光學(xué)元件和雙出射光路占用較大空間，當前使用較少；雙閃耀光柵是光柵設(shè)計和制造技術(shù)的新成果，但加工難度大、成本高，僅適合航天領(lǐng)域的特殊應(yīng)用。
[0004]現(xiàn)有的光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)包括:入射狹縫、準直鏡、平面光柵、成像鏡及出射狹縫；入射光通過入射狹縫進入光路結(jié)構(gòu)，經(jīng)過準直鏡準直，準直光線通過光柵后發(fā)生色散；色散后的衍射光線通過成像鏡后經(jīng)由出射狹縫出射進入探測結(jié)構(gòu)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，該光譜儀通過簡單、低成本的方法拓展掃描式光柵光譜儀的工作波長范圍，同時保證足夠高的衍射效率。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，該光譜儀包括:光柵單色儀和光電接收器，該光電接收器由兩片不同響應(yīng)波段的光電探測器同軸疊層制作而成，兩片探測器使用同一光學(xué)窗口 ；該光柵單色儀同時使用一級和二級衍射光作為有效工作級次，光電探測器同時、分別接收對應(yīng)的一級和二級衍射光。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明不需對傳統(tǒng)光柵單色儀光路結(jié)構(gòu)進行任何更改，光柵也仍為傳統(tǒng)光柵類型，僅通過光電探測器與光柵雙衍射級次的匹配實現(xiàn)寬光譜、高衍射效率的光譜信號探測；一、二級光譜同時作為工作波段提高了光能利用率；二級光譜相對一級光譜具有更弱的偏振靈敏度，降低了光譜儀的整體偏振靈敏性；光電探測器發(fā)揮了分色器作用，避免了額外分色元件的使用，簡化了光路、縮減了儀器體積；雙衍射級次同時探測縮短了掃描時間；一二級衍射波長的自動對準，可把波長定標工作簡化到僅在第一級衍射級次內(nèi)完成；僅使用一片傳統(tǒng)類型光柵，相對塔臺切換方式提高了穩(wěn)定性、減少了光柵使用數(shù)目，相對于加工難度高的雙閃耀光柵降低了成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1本發(fā)明采用C-T結(jié)構(gòu)的、工作波長范圍在550nm?2200nm、基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀光路圖。
[0010]圖2本發(fā)明光柵光譜儀的衍射效率曲線。
[0011]圖3為雙色探測器接收波長與光柵旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0013]基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀由光柵單色儀和光電接收器兩部分組成；光柵單色儀同時使用一級和二級衍射光作為有效工作級次；單色儀出射狹縫后側(cè)使用單窗口雙色光電探測器同時、分別接收一級和二級衍射光；波長掃描通過光柵轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。
[0014]光柵單色儀采用李特洛(Littrow)型、車爾尼-特納(Czerny-Turner ;C_T)型、艾伯特-法斯特(Eber-Fastie5E-F)型或羅蘭(Rowland)型光學(xué)結(jié)構(gòu)，光柵為鋸齒槽型的平面或球面光柵。
[0015]光譜儀工作波段可在可見至長波紅外區(qū)間內(nèi)選擇，并由光柵單色儀的光柵效率特性和雙色探測器的響應(yīng)波段共同確定。
[0016]光柵單色儀工作波段的選取方式為:一級光的短波截止波長作為二級光的長波截止波長，定義為搭接波長；一級光的長波截止波長為搭接波長的二倍，二級光的短波截止波長為搭接波長的二分之一；全工作譜段寬度為搭接波長值的1.5倍；光柵槽型設(shè)計兼顧一、二級衍射在工作波段內(nèi)的衍射效率。
[0017]光柵單色儀的工作波段可通過增加一級光的使用波長范圍、向長波方向擴展；擴展波長范圍以大于2倍搭接波長之外的光柵一級衍射光效率的下降情況及使用需求確定；使用一級衍射的擴展波長區(qū)間時，單色儀入射狹縫前應(yīng)加入在2倍搭接波長處截止的短波截止濾光片，以濾除二級衍射中大于二級衍射長波截止波長的光的干擾；擴展波長區(qū)間仍使用下層長波敏感探測器。
[0018]光譜儀采用雙色探測器對單色儀出射的一、二級光譜自然分級接收；雙色探測器的特征是:以兩片不同響應(yīng)波段的光電探測器同軸疊層制作而成，兩探測器使用同一光學(xué)窗口 ；上層探測器對短波敏感，下層探測器對長波敏感，二者響應(yīng)波長有輕微重疊，但上層探測器對下層探測器形成短波截止濾光片效應(yīng)；雙色探測器可以是S1、Ge、InGaAs, PbS,PbSe, HgCdTe等不同材料的光敏元的配對組合，或采用不同工藝控制長波和短波截止波長的同種材料的光敏元組合；不同的雙色探測器可覆蓋可見至長波紅外波段；雙色探測器的選用方法為:上層(短波敏感)探測器的長波截止波長對應(yīng)于光柵的搭接波長；上層(短波敏感)探測器用于接收二級光譜，下層(長波敏感)探測器用于接收一級光譜。
[0019]圖1為一個采用C-T結(jié)構(gòu)的、基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀光路圖。此光柵光譜儀結(jié)構(gòu)由C-T結(jié)構(gòu)單色儀7和雙色探測器6兩部分組成；單色儀7由短波截止濾光片8、入射狹縫1、準直鏡2、鋸齒槽型平面光柵3、成像鏡4及出射狹縫5組成。光柵3使用一級和二級衍射光；圖2為此光柵衍射效率曲線，并在其上標注出了光譜儀的工作波段的劃分選取方式，即:一級和二級衍射的搭接波長選擇IlOOnm;當不使用短波截止濾光片8 (圖1中)對一級工作波長擴展時，一級波長的長波截止使用波長為2200nm，二級波長的短波截止使用波長為550nm，即光譜儀的工作波長范圍為550?IlOOnm和1100?2200nm兩個倍程波長區(qū)間，總工作譜段寬度為1650nm ;當對一級工作波長擴展時，僅需當一級輸出波長大于2200nm時，短波截止濾光片8 (圖1中)加入光路，繼續(xù)對更長波長的一級衍射光進行掃描探測，直至衍射效率不滿足使用需求；本實施例選擇擴展至2500nm ;擴展波長區(qū)間仍使用下層長波敏感探測器接收。為與光譜儀的工作波段匹配，雙色探測器選擇Si+PbS的光敏元組合方式，上層探測器使用Si，有效工作波長范圍為320nm?llOOnm，但只使用550nm?IlOOnm ;下層探測器使用PbS，有效工作波長范圍為IOOOnm?2900nm，但只使用IlOOnm?2200nm (非一級波長擴展模式)或IlOOnm至2500nm (—級波長擴展模式)。如圖3所示，當光柵平面法線相對入射復(fù)色平行光的角度在14.99°至10.12°內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動掃描(角度遞減)時，雙色探測器同時、分別接收波長在1100?2200nm和550?IlOOnm范圍內(nèi)近似線性增長變化的一級和二級衍射單色光，此時短波截止濾光片8 (圖1中)不加入光路；當光柵轉(zhuǎn)角小于10.12°且繼續(xù)掃描(角度遞減)時，短波截止濾光片8 (圖1中)力口入光路，以濾除2200nm以下的波長，此時下層長波敏感探測器繼續(xù)接收波長大于2200nm的一級衍射光，上層短波敏感探測器無響應(yīng)。
【權(quán)利要求】
1.基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，該光譜儀包括:光柵單色儀和光電接收器，其特征在于，該光電接收器由兩片不同響應(yīng)波段的光電探測器同軸疊層制作而成，兩片探測器使用同一光學(xué)窗口 ；該光柵單色儀同時使用一級和二級衍射光作為有效工作級次，光電探測器同時、分別接收對應(yīng)的一級和二級衍射光。
2.如權(quán)利要求1所述的基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，其特征在于，該光電接收器上層探測器對短波敏感，下層探測器對長波敏感，二者響應(yīng)波長有重疊，但上層探測器對下層探測器形成短波截止濾光片效應(yīng)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，其特征在于，上層探測器的長波截止波長對應(yīng)于光柵的搭接波長；上層探測器接收二級光譜，下層探測器接收一級光譜。
4.如權(quán)利要求1所述的基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，其特征在于，該光電接收器采用S1、Ge、InGaAs、PbS、PbSe、HgCdTe不同材料的光敏元的配對組合，或采用不同工藝控制長波和短波截止波長的同種材料的光敏元組合。
5.如權(quán)利要求1所述的基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，其特征在于，一級衍射光的長波截止波長為搭接波長的二倍，二級光的短波截止波長為搭接波長的二分之一；全工作譜段寬度為搭接波長值的1.5倍。
6.如權(quán)利要求1所述的基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，其特征在于，該光譜儀工作波段在可見至長波紅外區(qū)間內(nèi)，并由光柵單色儀的光柵效率特性和雙色探測器的響應(yīng)波段共同確定。
7.如權(quán)利要求1所述的基于雙色探測器的雙衍射級次共路探測光柵光譜儀，其特征在于，該光柵單色儀采用李特洛型、車爾尼-特納型、艾伯特-法斯特型或羅蘭型光學(xué)結(jié)構(gòu)，光柵為鋸齒槽型的平面或球面光柵。
【文檔編號】G01J3/427GK103592028SQ201310521239
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】方偉, 張 浩 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所