光学学报, 2020, 40 (12): 1205002, 网络出版: 2020-06-03   

高衍射效率短波红外凸面闪耀光栅的研制与应用 下载: 1429次

Development and Application of Shortwave Infrared Convex Blazed Grating with High Diffraction Efficiency
郑志忠 1,2,3,*杨忠 1,**修连存 2,3,***
作者单位
1 南京航空航天大学自动化学院, 江苏 南京 211100
2 中国地质调查局南京地质调查中心, 江苏 南京 210016
3 江苏三深光谱感知技术研究院有限公司, 江苏 南京 211135
图 & 表

图 1. Offner成像光谱仪示意图

Fig. 1. Diagram of Offner imaging spectrometer

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图 2. 闪耀光栅结构示意图

Fig. 2. Schematic of blazed grating

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图 3. Lamina槽型光栅的结构

Fig. 3. Structure of Lamina groove grating

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图 4. 矩形槽型凸面光栅的衍射效率仿真曲线。(a)不同槽深下;(b)不同波长下

Fig. 4. Simulation curves of diffraction efficiency of rectangular groove convex grating. (a) Under different groove depths; (b) under different wavelengths

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图 5. 三角形槽型凸面光栅的衍射效率仿真曲线。(a)不同顶角下;(b)不同波长下

Fig. 5. Simulation curves of diffraction efficiency of triangular groove convex grating. (a) Under different angles; (b) under different wavelengths

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图 6. 凸面光栅加工示意图

Fig. 6. Process diagram of convex grating

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图 7. 不同情况下的机床沿Y轴的偏差曲线。(a)波前影响下;(b)鬼线影响下;(c)杂散光影响下的标准偏差

Fig. 7. Deviation curves along Y-axis of machine under different conditions. (a) Under effect of wavefront; (b) under effect of ghost line; (c) standard deviation under effect of stray light

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图 8. 金刚石刻刀残留圆角对光栅衍射效率影响。(a)残留圆角示意图;(b)不同残留圆角影响下的光栅衍射效率

Fig. 8. Influence of residual fillet of diamond grave on diffraction efficiency of grating. (a) residual fillet diagram; (b) diffraction efficiency of grating with different residual fillet

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图 9. 研制的凸面光栅实物

Fig. 9. Real picture of developed convex grating

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图 10. 凸面光栅零级光波前形貌图

Fig. 10. Topography of zero-order optical wavefront of convex grating

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图 11. 凸面光栅表面剖面图。(a)凸面光栅表面轮廓;(b)凸面光栅AFM形貌图

Fig. 11. Profile of convex grating surface. (a) Surface profile of convex grating; (b) profile of convex grating

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图 12. 光栅衍射效率测试装置示意图

Fig. 12. Diagram of grating diffraction efficiency testing device

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图 13. 凸面闪耀光栅衍射效率曲线

Fig. 13. Diffraction efficiency curve of convex blazed grating

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图 14. 所设计的系统。(a)成像光谱仪系统结构;(b) SWIR成像光谱仪;(c)小型机载高光谱系统

Fig. 14. Proposed system. (a) Structure of imaging spectrometer; (b) SWIR imaging spectrometer; (c) small airborne hyperspectral system

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图 15. 飞行实验获取的高光谱数据与SNR曲线。(a)高光谱图像立方体;(b)典型地物辐亮度光谱曲线;(c) SNR曲线

Fig. 15. Hyperspectral data and SNR ratio curve obtained from flight experiment. (a) Hyperspectral image cube; (b) radiance spectral curve of typical ground objects; (c) SNR curve

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表 1成像光谱仪指标参数

Table1. Specifications of imaging spectrometer

ParameterContent
Wavelength range1000-2500 nm
Spectral resolution10 nm
Focal length130 mm
F numberF/2.2
Linear dispersion7.5 nm/pixel
Slit dimensionHeight:12 mm,width: 25 μm
Detector array size320 pixel×256 pixel
Detector pixel size30 μm×30 μm

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表 2凸面光栅参数

Table2. Parameters of convex grating

ParameterContent
Wavelength range1000-2500 nm
Curvature radius70 mm
Diameter52 mm
Groove density60 line/mm
Diffraction order+1
Incident angle30°
Diffraction efficiency /%Above 60%
Intensity ratio of stray lightBelow 0.1%

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表 3不同表面槽型光栅的衍射效率

Table3. Diffraction efficiency of gratings with different groove types%

StructureMaximumAverageAt initial wavelengthAt terminal wavelength
Rectangular groove40.530732
Triangular groove88.9653160.5

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表 4刻槽周期数据列表

Table4. Data list of groove spacing

No.d /μmNo.d /μmNo.d /μmNo.d /μm
116.6981116.6642116.6523116.652
216.6261216.7132216.6683216.646
316.7081316.6192316.6243316.674
416.6991416.7222416.6233416.616
516.7051516.6852516.7143516.644
616.6701616.7062616.6843616.696
716.6541716.6292716.7003716.670
816.6851816.6462816.6553816.678
916.6961916.7292916.7233916.701
1016.6392016.6953016.7014016.642

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郑志忠, 杨忠, 修连存. 高衍射效率短波红外凸面闪耀光栅的研制与应用[J]. 光学学报, 2020, 40(12): 1205002. Zhizhong Zheng, Zhong Yang, Liancun Xiu. Development and Application of Shortwave Infrared Convex Blazed Grating with High Diffraction Efficiency[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(12): 1205002.

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