-
众所周知,光谱检测系统由狭缝、色散元器件、聚焦元器件以及探测器构成,被封闭于一个密闭的检测室内。提高光谱检测精度的重要一环是消除成像的像散、彗差、色畸变、谱线弯曲等。科研人员从单个光栅制作或添加辅助元器件入手,开展了消像差的研究。
-
罗兰型光栅是光谱检测最常用光栅[13]。先重点阐述罗兰型光栅消像散和弧矢彗差、提升检测精度的进展。消像差的基本思路是:以光程函数为基础,将其展开成多项式,再依据所需消除的像差,使某一系数项Fi, j=0。对于一个以原点为中心、法线方向为x轴的凹面光栅系统[14],光程函数可表达为:
$ \begin{gathered} F(y, z)=F_{00}+y F_{10}+\frac{1}{2} y^2 F_{20}+\frac{1}{2} z^2 F_{02}+ \\ \frac{1}{2} y^3 F_{30}+\frac{1}{2} y z^2 F_{12}+\cdots \end{gathered} $
(1) 式中,x, y, z是坐标轴, F20为离焦系数,F02为像散系数,F30为子午彗差系数,F12为弧矢彗差, F00和F10涉及到光栅方程产生,不具备关键像差特征,可忽略。检测时,为提高检测精度,必须消除像散和弧矢彗差, 这要求研制光栅过程中,需不断调节记录、使用光源位置,达到F02和F12为零的目标。
使用全息法制作罗兰型光栅,当记录光源波长为λ0时,BROWN等人[15]研究发现:工作波长λ只有满足条件1≤mλ/λ0≤2(m表示衍射级次数)时,才能同时消除λ处的像散、弧矢彗差等;而对于偏离λ的光束,其像散仍然存在。针对该情况,GRANGE[16]运用光线偏离与光程函数导数关系,提出了采用多维参数组求解最小优化函数值的方法, 利用该方法,他们设计出一种波长范围在125 nm~185 nm的凹面光栅,结果表明:当光源以最佳角度入射时,在140 nm和170 nm处像散得到消除,而其它波长处的像散也明显降低。
为进一步减小像散,参考文献[17]中提出了利用平面波、柱面波同时记录光栅的方案,如图 1所示。图中,激光源发出的球面光束,经偏振分光棱镜(polarization beam splitter,PBS)分光后,其中一束经球面镜形成平面波,另一束经柱面镜形成柱面波,然后将这两束光发射至待刻光栅。由于柱面波的使用,使得臂长RD增大,由此F02得到降低。
当激光器输出波长为413 nm时,选取365.4 nm作为特征谱线对方案实施前后的效果进行比较,结果如图 2所示。可以看出,未校正前,像高接近10 mm,校正后,像高减小到3 mm。实验也进一步证明,该设计思路对于减小像散行之有效[17]。
上述方法虽能减小使用波段像散,但无法校正弧矢彗差。为此,该团队进一步提出利用环面波制作光栅的方案。在上述激光波长不变的情况下,仿真得到圆柱平面波、圆柱环面波记录时的对比结果,如图 3所示。可以看出,成像光斑在未校正前为弯曲形状,校正后几乎变成直线,说明弧矢彗差得到了有效抑制。实验结果也证实了理论分析结果的正确性[18]。
除记录光源位于罗兰圆上制作光栅的情形外,还有一种将记录光源置于圆外的制作方案,如图 4所示。图中,C、D为置于圆外的记录光源。对于该方案,KONG等人[19]进行了较详细的研究。在假定记录波长λ0=413.1 nm的条件下,通过分析校正波长λ为0 nm~800 nm的成像情况,发现:(a)当入射角、衍射角相等时,像散和弧矢彗差在λ和λ/2处为0;(b)当衍射角为零时,像散和弧矢彗差在λ和2λ处为0;(c)当入射角为零时,像散和弧矢彗差在0和λ处为0。在以上所有情况下,在两个零像差波长之间的像散和弧矢彗差显著降低。以此为基础,他们给出了一种波长范围为160 nm~600 nm的设计案例,结果表明,当入射角与衍射角相等时,在工作波长为225 nm、450 nm处,像散和弧矢彗差为0;当从点光源发出波长为160 nm、380 nm、600 nm的光束后,经该光栅衍射在像面形成的点列图,相较于传统等刻线密度、曲率半径光栅,像高可从10 mm减小到1 mm,同时谱线弯曲也得到一定改善。
-
单光栅消像差方案虽能在窄频谱范围内较好地确保低像差成像,但当频谱范围较大时,多波长成像的像散、彗差等仍难以消除。针对该问题,一种双光栅串联的方案被提出[20],如图 5所示。图中,光栅G1和G2相切于以O为中心的圆,且对称放置。复合光源发出的光束从狭缝出射,经光栅G1衍射后入射至光栅G2。由于凹面光栅的聚焦特性,相同波长的光束能聚焦于成像面的某一点处。对于该设计,为实现各波长尽可能地无像散、无彗差地成像,需满足如下条件:(a)狭缝必须位于G1的法线上,成像点必须位于G2的法向平面;(b)对于入射光束,要求其不同波长的子光束是平行入射到G2。当满足两个条件时,相同波长的弧矢像距等于子午像距。理论分析时,研究者以波长为120 nm~170 nm光束为例,通过改变光栅G1衍射角范围,如从40°减小到10°,发现其像散从10-1/rad减小到10-5/rad,彗差从10-2/rad减小到10-4/rad。
上述方案中,由于光栅曲率半径较大,其内切圆半径必然很大,由此导致成像系统的体积较大。针对该问题,参考文献[21]中提出了一种离轴抛物镜串联光栅的方案,如图 6所示。图中,两块离轴抛物镜对称共焦放置。当瞳孔出射的平行光束经离轴抛物镜反射后,必将以平行的方式入射到平面光栅,其衍射后相同波长的光束, 必将以平行的方式入射至凹面光栅,满足不同波长子光束是平行入射到凹面光栅的要求。理论分析表明,对于波长为260 nm~380 nm的平行入射光束,当离轴抛物镜半径为200 mm时,系统的成像距离从210 mm减小到101.25 mm。
对于图 6所示设计系统,由于使用的元器件较多,必然存在光路对准、像距调节难题。为此,参考文献[22]中提出了一种简化该系统的设计方案,如图 7所示。图中,直接以一面离轴抛物镜作为准直镜。由于该镜反射的平行光束入射光栅时,可能导致不同波长的子光束偏离光栅法向平面的情形,为克服这个问题,一块带有楔角的柱面镜嵌入系统, 其作用为调节弧矢、子午方向像距,使之满足每个波长无像散、彗差成像的要求。对于该设计方案,理论分析表明: 当波长为280 nm~ 760 nm、柱面镜倾斜角为27.67°、楔角为3.77°时,其光斑均方根半径从图 6所示设计系统的11.39 μm降低到8.5 μm。
上述两种设计中,光栅的数值孔径、光束的入射角度要求均较小,这限制了光谱检测的范围。针对该问题,参考文献[23]中提出了柱面镜级联两块凹面光栅,从而拓展检测范围的设计思路。依据每个波长像差校正的原理,首先在满足像散、彗差校正条件下,求解出光栅位置,柱面镜楔角、倾斜角的最优参数, 然后针对系统小型化要求,设计出如图 8所示大区域检测系统。图中,折叠镜的作用是确保系统在结构紧凑的情况下、进一步减小体积。结果表明:在波长为400 nm~800 nm,第一、二光栅入射角分别为1.2°和15°,柱面镜楔角为15.63°时,其数值孔径达到0.1。
前面已提到,数值孔径对光谱检测具有较大影响,其主要表现为:当数值孔径较大时,光栅衍射所生成的像也较大,此时像的弯曲和畸变表现得更为明显。针对该问题,一种通过添加平凸厚透镜的方案被提出,这就是人们熟知的Dyson光谱仪,如图 9所示[24]。图中,平凸厚透镜与光栅的圆心重合,且透镜的中心轴与光栅法线也重合。狭缝紧贴于透镜后表面,当光束从狭缝入射时,由于光栅衍射和透镜凸面的折射,最终汇聚在透镜后表面上成像。将探测器的敏感面置于像面上,此时像可在探测器上被检测。为校正谱线弯曲和色畸变,推导出光栅和透镜的曲率半径(R和r)须满足条件R/r=n/(n-1)(其中n为透镜的折射率)。进一步,选取曲率半径分别为135 mm、69 mm的光栅和透镜,制作了一台数值孔径为0.66的样机系统, 结果表明,在3650 nm、3655 nm和3663 nm处,谱线弯曲和色畸变几乎为0。
然而,该光谱仪只适用于衍射角较小的情况。当衍射角增大时,由于不同波长的子午焦距不同,谱线弯曲、色畸变以及像散仍存在。为此,MONTERO-ORILLE等人[25]在图 9的基础上,提出了一种在双波长下校正谱线弯曲、色畸变的方法。其原理是:在衍射角θ为任意角度的情况下,选取合适的临界波长λa和λb,运用正弦定理和斯涅耳定律对R/r进行修正,当δ=0°(δ为子午像点于平凸厚透镜后表面法线的夹角)时,谱线弯曲、色畸变以及像散均得到较好校正。理论分析表明,当临界波长分别为400 nm和1000 nm、光栅曲率半径为179.86 mm、透镜半径为59.25 mm时,像高谱线弯曲为0.007 μm,色畸变为0.026 μm。
图 9中,由于探测器具有一定尺寸、无法与透镜后表面完全贴合,会导致探测器无法检测到成像,从而不利于其安装、使用。针对该情况,一种利用全反射面折叠光路的方案被提出[26],如图 10所示。图中,将平凸厚透镜替换为一面带有反射镜的特殊透镜,其作用是将原本汇聚在后表面的光束、在透镜焦距不变的情况下,反射并汇聚到透镜外的像面上。理论分析表明,在光谱范围为350 nm~1050 nm、光栅曲率半径为165 mm、透镜凸面曲率半径为53.693 mm、全反射临界角为50°的情况下,像面和透镜之间达到1 mm的分离,谱线弯曲为0.05 μm,色畸变为0.7 μm。此外,当使用一块2次曲面系数为-0.9076的非球面光栅替代球面光栅时,焦平面与厚透镜后表面之间高达7 mm的分离,可进一步满足探测器的安装使用[27]。同时,光斑的均方根半径从24 μm减小到6 μm。图中,TIR(total internal reflection)为全内反射透镜。
虽然上述设计确保了探测器的检测使用,但由于其带有全反射面的特殊透镜的厚度较大,会导致系统的杂散光较大。为此,参考文献[28]中将图 10所示带有全反射面的透镜替换成较薄的平凸厚透镜,并提出了一种非球面校正镜设计思路,如图 11所示。图中,让平行光束通过由ZnSe和Ge材料制成的透镜组合,将该光束聚焦至透镜外,确保了探测器安装使用。非球面镜的添加,提供了一个非球面系数,校正了由减小透镜厚度带来的球差问题。此外,可通过旋转像面,将各波长下、原本不在同一垂面上的最小弥散光斑置于同一平面上,平衡了色差,从而使得每个波长的光束都能理想成像。理论分析表明,在波长范围为7.5 μm~10 μm时,系统的杂散光减小到10-7量级,谱线弯曲小于4.051 μm,色畸变小于4.154 μm,说明该设计思路是可行的。图中,FPA(focal plane array)为焦平面阵列。
基于凹面光栅的光谱检测仪性能提升的研究进展
Research progress on performance improvement of spectrograph based on concave grating
-
摘要: 光谱检测是鉴别物质类型、掌握物质含量的重要手段。凹面光栅作为光谱检测仪的核心器件,其成像质量直接影响检测质量, 影响凹面光栅的成像质量归类为像差消除与分辨率提升两个方面。综述了光谱检测仪研制、像差消除与分辨率提升的研究进展;总结了各方案消除像差、提高分辨率的技巧、特色以及需满足的条件;最后展望了基于凹面光栅的光谱检测未来可能发展方向。Abstract: Spectral detection was a crucial method for identifying the types and compositions of the substance. The concave grating was the key element of a spectrograph when a concave grating was used as an element of a spectrograph. The detection results of the imaging quality are directly influenced by the concave grating. The methods of affecting the image quality were named aberration correction and resolution improvement, respectively. The research progress of the aberration correction and the resolution improvement in spectrograph manufacture is stated. For each scheme of the aberration correction and the resolution improvement, the skills and characteristics are summarized, and the conditions for the aberration correction and the resolution improvement are pointed out. Finally, the possible development directions of spectral detection based on the concave grating in the future prospect.
-
Key words:
- spectroscopy /
- diffraction and gratings /
- imaging /
- spectra /
- detection technology /
- aberration /
- resolution
-
-
[1] DONG Y, CHEN J, LUO L, et al. Modeling and implementation of a fiber-based quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy system[J]. Applied Optics, 2015, 54(13): 4202-4206. doi: 10.1364/AO.54.004202 [2] SUN J, LIU Y, JIANG Y, et al. Cooled Dyson long-wave infrared push-broom imaging spectrometer by re-imaging[J]. Optics Communications, 2016, 367: 274-278. doi: 10.1016/j.optcom.2016.01.067 [3] 于爽, 夏婧竹. 便携式差分喇曼光谱技术在翡翠鉴定中的研究[J]. 激光技术, 2021, 45(4): 511-515. YU Sh, XIA J Zh. Study on shifted-excitation Raman difference spectroscopy in the identification of jade[J]. Laser Technology, 2021, 45(4): 511-515 (in Chinese). [4] CUI Z, TIAN Z, ZHANG Y, et al. Research on streak tube imaging lidar based on photocathode range gating method[J]. Optics Communications, 2019, 432: 79-83. doi: 10.1016/j.optcom.2018.09.041 [5] YU L, CHEN J, XUE H, et al. Stigmatic broadband imaging spectrometer with a high numerical aperture[J]. Applied Optics, 2018, 57(10): 2414-2419. doi: 10.1364/AO.57.002414 [6] 崔祖文, 向昱霖, 张宇璇, 等. 铀酰溶液中铀含量的激光诱导击穿光谱测量[J]. 激光技术, 2021, 45(3): 331-335. CUI Z W, XIANG Y L, ZHANG Y X, et al. Quantitative study on uranium in uranyl solution by laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Laser Technology, 2021, 45(3): 331-335 (in Chinese). [7] LI X, NI K, ZHOU Q, et al. Fabrication of a concave grating with a large line spacing via a novel dual-beam interference lithography method[J]. Optics Express, 2016, 24(10): 10759-10766. doi: 10.1364/OE.24.010759 [8] 赵旭龙, 巴音贺希格, 李文昊, 等. 紫外高分辨率像散校正型罗兰全息光栅设计[J]. 光谱学与光谱分析, 2017, 37(11): 3616-3620. ZHAO X L, BAYANHESHG, LI W H, et al. Design of ultraviolet high-resolution astigmatic correction Rowland holographic grating[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(11): 3616-3620(in Chinese). [9] CHEN J, WANG C, ZHANG G, et al. High-resolution compact spectrometer based on a custom-printed varied-line-spacing concave blazed grating[J]. Optics Express, 2017, 25(11): 12446-12454. doi: 10.1364/OE.25.012446 [10] 刘玉红, 程其娈, 谭佐军, 等. 采用相干技术的高分辨光谱检测系统设计[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(4): 262-267. LIU Y H, CHENG Q L, TAN Z J, et al. Design of high resolution optical spectrum detecting system based on interference technique[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(4): 262-267 (in Chinese). [11] CUI Z, TIAN Z, ZHANG Y, et al. Research on streak tube imaging lidar based on photocathode range gating method[J]. Optics Communications, 2019, 432: 79-83. doi: 10.1016/j.optcom.2018.09.041 [12] ZHANG B, TAN Y, ZHU J, et al. Imaging spectrometer with single component of freeform concave grating[J]. Optics Letters, 2021, 46(14): 3412-3415. doi: 10.1364/OL.431975 [13] BEULTER H G. The theory of the concave grating[J]. Journal of the Optical Society of America, 1945, 35(5): 311-350. doi: 10.1364/JOSA.35.000311 [14] STAVDAS A, MANOUSAKIS M, SCAHILL C, et al. Design and performance of free-space concave grating demultiplexers for ultra-wideband WDM networks[J]. Journal of Lightwave Technology, 2001, 19(11): 1777-1784. doi: 10.1109/50.964080 [15] BROWN B J, WILSON I J. Holographic grating aberration correction for a Rowland circle mount Ⅱ[J]. Journal of Modern Optics, 1981, 28(12): 1601-1610. [16] GRANGE R. Aberration-reduced holographic spherical gratings for Rowland circle spectrographs[J]. Applied Optics, 1992, 31(19): 3744-3749. doi: 10.1364/AO.31.003744 [17] CHEN X W, ZENG L J. Astigmatism-reduced spherical concave grating holographically recorded by a cylindrical wave and a plane wave for Rowland circle mounting[J]. Applied Optics, 2018, 57(25): 7281-7286. doi: 10.1364/AO.57.007281 [18] CHEN X W, ZENG, L J. Aberration-reduced spherical concave grating holographically recorded by a spherical wave and a toroidal wave for Rowland circle mounting[J]. Optics Express, 2019, 27(3): 3294-3304. doi: 10.1364/OE.27.003294 [19] 孔鹏, 巴音贺希格, 李文昊, 等. 宽波段全息罗兰光栅的优化[J]. 中国激光, 2011, 38(4): 0409003. KONG P, BAYANHESHIG, LI W H, et al. Optimization of Rowland circle mounts for broad-band spectrographs[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(4): 0409003(in Chinese). [20] BARTOE J, BRUECKNER G E. New stigmatic, coma-free, concave-grating spectrograph[J]. Journal of the Optical Society of America, 1975, 65(1): 13-21. doi: 10.1364/JOSA.65.000013 [21] YU L, LIN G Y, WANG S R. Tandem gratings spectrometer for spectroscopy broadband anastigmatic imaging[J]. Optics Letters, 2014, 39(2): 351-354. doi: 10.1364/OL.39.000351 [22] YU L, WANG S R, LIN G Y, et al. Spectral broadband anastigma-tic Wadsworth imaging spectrometer[J]. Optics Express, 2015, 23(1): 101-109. doi: 10.1364/OE.23.000101 [23] YU L, XUE H, CHEN J X. Dual concave grating anastigmatic spectrometer with high spectral resolution for remote sensing[J]. Applied Optics, 2018, 57(33): 9789-9796. doi: 10.1364/AO.57.009789 [24] MEERTRTZ L. Concentric spectrographs[J]. App1ied Optics, 1977, 16(12): 3122-3124. doi: 10.1364/AO.16.003122 [25] MONTERO-ORILLE C, PRIETO X, GONZÁLEZ-NÚÑEZ H, et al. Two-wavelength anastigmatic Dyson imaging spectrometers[J]. Optics Letters, 2010, 35(14): 2379-2381. doi: 10.1364/OL.35.002379 [26] MOUROULIS P, GREEN R O, WILSON D W. Optical design of a coastal ocean imaging spectrometer[J]. Optics Express, 2008, 16(12): 9087-9096. [27] XUE Q S. Modified Dyson imaging spectrometer with an aspheric grating surface[J]. Optics Communications, 2013, 308: 260-264. [28] 刘子寒, 季轶群, 石荣宝, 等. 机载红外推扫成像光谱仪光学设计[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2941-2946. LIU Z H, JI Y Q, SHI R B, et al. Optical design of airborne infrared pushbroom imaging spectrometer[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(9): 2941-2946 (in Chinese). [29] 邹纯博. 新型Dyson高光谱成像系统研究[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所), 2017: 53-55. ZOU Ch B. Study of hyperespectral imaging spectrometer based on the improved Dyson structure[D]. Xi'an: University of Chinese Academy of Sciences(Xi'an Institute of Optics & Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences), 2017: 53-55(in Chinese). [30] 孙佳音. 基于Dyson结构的长波红外高光谱成像光谱仪光学系统研究[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2016: 21-27. SUN J Y. Study on optics system of long-wave infrared hyperspectral imaging spectrometer base on Dyson form[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2016: 21-27(in Chinese). [31] 周哲海, 丁立, 严瑛白, 等. 基于牛顿迭代算法的凹面光栅优化设计[J]. 光电子·激光, 2001, 12(12): 1209-1213. ZHOU Zh H, DING L, YAN Y B, et al. Optimum design of concave gratings based on a newton recursive algorithm[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2001, 12(12): 1209-1213 (in Chinese). [32] 程梁, 陈燕平, 朱若波, 等. 微型光谱仪平场全息凹面光栅的优化设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2008, 42(2): 312-316. CHENG L, CHEN Y P, ZHU R B, et al. Optimum design of flat-field holographic concave grating for micro-spectrometers[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science Edition), 2008, 42(2): 312-316 (in Chinese). [33] REN Zh, LIU G D, HUANG Zh, et al. Design of a novel high resolution holography concave grating spectroscopy for tongue coating analyzer[C]//2010 3rd International Conference on Bioinformatics & Biomedical Engineering. New York, USA: IEEE, 2010: 1455-1458. [34] REN Zh, LIU G D, HUANG Zh, et al. Design of a novel noninvasive blood glucose monitor based on improved holography concave grating NIR-spectrometer[C]//2011 5th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering. New York, USA: IEEE, 2011: 1-4. [35] 曹佃生, 林冠宇, 杨小虎, 等. 紫外双光栅光谱仪结构设计与波长精度分析[J]. 中国光学, 2018, 11(2): 219-230. CAO D Sh, LIN G Y, YANG X H, et al. Structure design and wavelength accuracy analysis of ultraviolet double grating spectrometer[J]. Chinese Optics, 2018, 11(2): 219-230(in Chinese). [36] 李俊纬, 倪屹, 郭瑜, 等. 基于凹面光栅的特定蛋白分析仪结构设计及性能分析[J]. 光学学报, 2019, 39(8): 0830002. LI J W, NI Y, GUO Y, et al. Structural design and performance analysis of specific protein analyzer based on concave grating[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(8): 0830002(in Chinese). [37] 孔鹏, 唐玉国, 巴音贺希格, 等. 双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪[J]. 光学学报, 2013, 33(1): 0105001. KONG P, TANG Y G, BAYANHESHIG, et al. Double-grating minitype flat-field holographic concave grating spectrograph[J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(1): 0105001(in Chinese). [38] 曾瑾, 巴音贺希格, 李文昊, 等. Ⅳ型凹面全息光栅参数误差对光谱性能的影响及补偿[J]. 光学学报, 2011, 31(10): 1005005. ZENG J, BAYANHESHIG, LI W H. Effect of type-Ⅳ concave holographic grating parameter errors on spectral performance and their compensation[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(10): 1005005(in Chinese). [39] ZHOU Q, FENG J C, LI X H, et al. Concave grating miniature spectrometer with an expanded spectral band by using two entrance slits[J]. Chinese Optics Letters, 2015, 13(11): 110501. [40] ZHOU Q, PANG J, LI X, et al. Improving the spectral resolution of flat-field concave grating miniature spectrometers by dividing a wide spectral band into two narrow ones[J]. Applied Optics, 2015, 54(32): 9450-9455. [41] 鲁毅, 任万杰, 郭国建, 等. 双罗兰圆结构光谱仪的光学系统设计[J]. 应用光学, 2022, 43(3): 415-423. LU Y, REN W J, GUO G J, et al. Optical system design of spectrometer with double Rowland circle structure[J]. Journal of A-pplied Optics, 2022, 43(3): 415-423 (in Chinese).