一种以光栅作为分光元件的远红外光谱仪

　　引 言

　　自由电子激光是一束高能电子在通过摇摆器时被激发的相干辐射。有必要对自由电子激光波长进行测量，确定其光谱分布，据此来分析自由电子激光器内部的情况。要测量的自由电子激光是处于长波红外波段的电磁波，其波长范围在 10μm～120μm，这么长的波长和如此宽的波段范围，在目前已知的国内外光谱仪器中还未见相关报道。本文提出了一种新型的光栅衍射测量光谱分布的系统，在系统中采用四块反射式衍射光栅，通过计算机控制扫描机构实现对整个波长范围的光谱测量，具有测量精度高，操作方便等优点。

　　1 测量原理

　　激光光束入射到闪耀光栅上发生多光束干涉和衍射，在空间形成明暗相间条纹，通过测量不同频率的光在空间的衍射条纹位置不同，来测量激光的波长。我们保持入射光的方向不变，入射光经闪耀光栅产生衍射，激光的光谱被展开，衍射光谱由一狭缝来选择，转动闪耀光栅不同波长的衍射光依次在狭缝中出现，狭缝的宽度很小，可以保证在光栅转动过程的任意时刻只有特定波长光从狭缝通过，从狭缝出射的光由光电探测器接收，探测器输出电压高低反映光强变化。

　　因为闪耀光栅通常使用一级衍射光谱，所以在光栅衍射方程中取m=1。

　　2 光谱测量误差分析

　　2.1 光栅的分辨本领

　　光栅分辨本领

　　2.2 采样间隔

　　光栅的旋转角度，由一个 5400 线条等分的圆光栅编码器进行测量，每个线条还能4 等分，能够获得的最小步进角为360×60 ′ /5400/4=1′此时波长采样间隔 λ=0.063μm，能够满足采样间隔λ/1000 的要求。

　　2.3 波长测量的准确性

　　测量的准确性误差主要是光栅的标定误差和转角测量误差，对光栅衍射方程求导有

式中β——光栅的转角误差， d， α， β0是光栅的标定误差，其误差源是标定时光栅的转角测量误差和标准光源的波长误差。

　　3 系统组成

　　光谱仪系统组成如图2。自由电子激光经扩束和光路传输进入光谱仪，光谱仪输出光强送入探测器，探测器输出信号经 12 位 A/D 转换成为数字量送入计算机，轴角编码器读入光栅转动角度也送入计算机，系统软件通过接口电路控制光栅转动和调整传输光路中反射镜的位置，系统软件根据读入的光栅转角计算出波长，绘出波长对应的光强分布图，由打印机输出。

　　光谱仪光路如图3 所示。φ90mm 口径的光束入射到第一面离轴抛物镜，聚焦于第一个狭缝，从狭缝出射的光经第二个离轴抛物镜成为平行光，入射到光栅，产生衍射，衍射光经第三面离轴抛物镜聚焦于第二个狭缝，两个狭缝均位于离轴抛物镜的焦点处。转动光栅，在第二个狭缝处出现不同波长的一级衍射，从狭缝出射的光经球面镜成像于探测器上。从光路图上可以看出，第一个狭缝与第二个狭缝共轭，这两个狭缝的位置决定了入射光与衍射光的夹角，并且大小不变。光栅实际上起扫描作用，转动光栅，不同波长的一级衍射依次进入狭缝2，狭缝2 起选择不同波长的作用。