1 中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
2 青岛理工大学信息与控制工程学院，山东 青岛 266520
谱图还原算法是中阶梯光栅光谱仪高分辨的保障，其精度和速度的优化是推动仪器发展的关键。提出一种基于全像面拟合的谱图还原算法，将光谱标定融入到建模过程中的方式同时解决了环境改变和仪器扰动对模型精度的影响问题。首先建立初始模型，利用光线追迹结果进行全像面拟合，获得标准模型。再利用Hg-Ar灯的特征谱线对标准模型进行二次拟合以修正偏差，从而完成光谱标定。最后采用多种元素灯的特征谱线对所提建模方法的精度进行验证。实验结果表明，所建立的谱图还原模型的全像面误差在2 pixel内，全波段波长平均提取误差为0.01 nm。所提方法将建模过程与标定技术相结合，使标定常态化，简化了建模流程，为中阶梯光栅光谱仪的应用推广提供了算法基础。
光谱学 中阶梯光栅光谱仪 谱图还原算法 全像面拟合 光谱标定
中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
中阶梯光栅光谱仪凭借高光谱分辨率在各领域应用日益广泛，已经成为主要的光谱分析仪器之一。谱图还原技术是中阶梯光栅光谱仪数据处理的核心，通过建立波长和成像位置间的对应关系实现二维图像到一维谱图的快速还原。谱图还原的精度直接决定了中阶梯光栅光谱仪的性能，是仪器开发的重点和难点。鉴于此，本文综述谱图还原技术的发展，将其演变过程归纳为光线追迹、模型化和标定法等3个阶段，重点介绍各阶段谱图还原算法的核心思路与代表方法的原理。最后针对中阶梯光栅光谱仪谱图还原技术，归纳其发展历程、预测其发展趋势、展望其发展方向。
中阶梯光栅光谱仪 谱图信息处理 谱图还原算法 光线追迹 光谱标定 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0330003
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
对传统中阶梯光栅光谱仪级次重叠的问题进行分析，采用声光可谐调滤波器（AOTF）结合中阶梯光栅的方法实现光谱级次分离，研究并设计了小型、灵敏、超高光谱分辨率的光学系统结构。利用CODEV软件对成像光谱仪的初始结构进行优化，得到一种结合AOTF与中阶梯光栅的小型化超高光谱分辨率成像光谱仪。与交叉色散方案相比，中阶梯光栅与AOTF结合的技术将得到更高的信噪比，并弥补了中阶梯光栅体积大、质量重的缺陷，工作波段在2320~4250 nm时，系统F数小于1.8，并获得优于0.15 nm的超高光谱分辨率，在奈奎斯特频率为17 lp/mm条件下整体调制传递函数（MTF）>0.7，各视场全波段弥散斑均方根（RMS）半径<11 μm。该成像光谱仪提供了一种大气微量成分高精度、高灵敏度测量的方案，与其他的高分辨率红外光谱仪相比，其更容易安装在空间资源有限的行星或星际航天器上。
光学设计 成像光谱仪 AOTF 中阶梯光栅 光学学报
2023, 43(19): 1922001
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 国家光栅制造与应用工程技术研究中心， 吉林 长春 130022
机械刻划是以中阶梯光栅为主导的大闪耀角、高衍射级次光栅的主要加工方法，其大闪耀角特性使中阶梯光栅的刻划加工难度大幅增加。当光栅刻划刀对刃误差较大，或刀具非力平衡设计时，刻划过程中刀具会受到较大水平扭矩，易导致刀具颤振现象，从而影响光栅质量。为抑制刀具颤振，提高光栅刻划稳定性，针对光栅刻划刀弹性支撑机构的颤振抑制性能开展研究，提出了双层平行弹簧支撑机构。通过有限元仿真对比分析了新旧刀架机构的结构刚度和模态特性，并利用加速度传感器测试了两种刀架机构的刻划刀具颤振状态，对比了两种刀架对颤振的抑制效果。结果表明，双层平行弹簧刀架机构受刻划扭矩时，在刀具夹持处及柔性铰链处的变形较传统刀架结构分别减少了36%和24%，一阶模态提升了2.8倍。颤振信号在时域下基线两侧幅值分别降低了13.6%及22.5%。光栅刻划实验表明，新机构有利于刻划制造中阶梯光栅，所提出的刀架优化设计方法和颤振抑制技术可为光栅刻划制造技术提供理论指导。
机械刻划法 刻划刀架 颤振信号 中阶梯光栅 mechanical ruling method ruling tool carrier chatter signal echelle grating 光学 精密工程
2023, 31(13): 1941
1 江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
2 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
湿法刻蚀技术作为中阶梯光栅的主要制备方法之一，具有制造成本低、周期短、杂光少、所制作光栅的闪耀角误差小等优点。为解决某高分辨率光谱仪在近红外波段（800~1100 nm）的分光需求，尝试选择70.52°槽顶角的湿法刻蚀硅中阶梯光栅来代替90°槽顶角的传统中阶梯光栅。依据（100）硅光栅的结构特点以及光学设计给出的光栅工作条件，利用有限元数值计算法求解电磁场分布，理论分析了硅中阶梯光栅在工作波段内多个级次的衍射特性。在此基础上，利用紫外光刻-湿法刻蚀技术，在单晶硅基底上制作了槽密度为42 lp/mm、闪耀角为54.74°、有效面积超过46 mm×28 mm的对称V形槽光栅，并根据制备实验结果分析讨论了工艺过程中硅光栅质量的重要影响因素。测试结果表明，该光栅在各工作级次对应闪耀波长下的衍射效率均在45%~55%范围内，满足指标要求。
光栅 中阶梯光栅 硅光栅 紫外光刻 湿法刻蚀 衍射效率 光学学报
2023, 43(13): 1305001
魏烨艳 1,2,3白先勇 1,2,4张志勇 1,2,4冯志伟 1,2,3,*宋谦 1,2,3
1 中国科学院 国家天文台，北京000
2 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京100049
3 中国科学院 国家天文台 天文光学重点实验室，北京100101
4 中国科学院 国家天文台 太阳活动重点实验室，北京100101
为了实现对太阳中红外光谱CO 4.66 μm波段的观测，设计了一台光谱中心波长为4.667 μm的高分辨中红外光谱仪。基于科学观测需求分析了光谱仪的技术指标，为降低红外仪器的背景辐射，光谱仪整体置于真空制冷环境中；为达到高分辨率的观测需求，采用中阶梯光栅作为分光器件；为获得更优的像质，同时达到压缩光路的目的，光谱仪采用李特洛结构与离轴三反消像散技术相结合的光学设计，离轴三反同时承担了光谱仪中准直和成像的功能。在同轴三反系统的几何光学成像理论的基础上，研究了同轴三反结构、离轴三反结构以及光谱仪结构的求解和设计优化方法。光谱仪的焦距为1 300 mm，数值孔径为0.035，视场为20.3'×0.158'，系统的整体尺寸小于700 mm。结果表明，在工作波段范围内，光谱仪点列图的均方根直径小于5 μm，能量集中于一个像元尺寸范围内，光谱仪系统设计结果满足要求。
光学设计 中红外 光谱仪 中阶梯光栅 李特洛 离轴三反消像散 optical design mid-infrared spectrograph echelle grating littrow three-mirror anastigmatic
1 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
2 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
3 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650500
基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。
光学设计 中阶梯光栅光谱仪 宽波段 高分辨率 离轴三反光学系统 光学学报
2021, 41(22): 2212001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 长春长光格瑞光电技术有限公司，吉林长春13010
3 长春国科医工科技发展有限公司，吉林长春10102
为了实现超宽谱段与高分辨率特点兼具的中阶梯光栅光谱仪系统，提出了一种光路结构设计，并针对其深紫外波段的有效探测方法进行了研究及验证。该光路结构结合准Littrow结构与C-T结构的优势，保证了色散光路具备高衍射效率，同时很好地抑制了杂散光。在有限可选光学材料下，采用多重评价优化方式获得中阶梯光栅光谱仪的光学结构参数。通过加入由球透镜及柱透镜组成的校正结构，有效地校正了像差，提高了光谱分辨率。最后，针对深紫外波段探测的解决方案进行模态分析，验证了所设计方案的可行性。最终在160~1 000 nm的超宽波段范围内，成像光斑的RMS值优于12.1 µm，在257.61 nm处的光谱分辨率优于0.009 nm，能够满足超宽谱段、高分辨率检测系统的色散分光需求。
光学设计 中阶梯光栅光谱仪 超宽谱段 高分辨率 optical design echelle spectrometer ultra-wide wavelength range high resolution
1 长春长光格瑞光电技术有限公司, 吉林 长春 130102
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了基于中阶梯光栅光谱仪特殊的二维原始光谱图像实现各波长与其强度信息的一一对应, 进而得到可以直接读取所需波段或波长光信号强度信息的一维光谱曲线。对其原始光谱进行分析研究, 通过获得接收像面上各波长光斑位置与探测器像元的精确对应关系, 实现谱图的还原处理。采用多项式拟合方法分别对中阶梯光栅光谱仪的棱镜色散方向和光栅色散方向上光斑的位置坐标进行拟合, 建立起波长与像面之间的关系式, 为减小光线追迹数量, 同时采用级次间拟合的方式建立谱图还原模型。实验结果表明: 通过该方法, 可实现快速、高精度的谱图还原模型建立, 模型的计算误差最大为0.023 92 mm, 即谱图还原精度优于1个像元。该算法具有较强的灵活性和普适性, 适用于各类中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型计算。
中阶梯光栅光谱仪 谱图还原 交叉色散 多项式拟合 光线追迹 echelle grating spectrometer spectrogram reduction crossed dispersion polynomial fitting ray tracing
