高分辨率阶梯光栅光谱仪的光学设计

　　1　引　言

　　20世纪70年代前,天文高分辨率光谱仪多采用大面积普通闪耀光栅,以满足光通量方面的要求。普通闪耀光栅在实际应用中,为了避免级次重叠,只能用于低级次(第1级或第2级),因此要获得高分辨率光谱只能采用大面积细刻线光栅,仪器尺寸非常庞大。这种一维排列的光谱仪要求焦距4 m,通光口径1.5 m的大型照相机,探测元件只好采用低效率的照相乳胶和高噪声的Reticon。G.R.Harrison于1949年研制出一种新的衍射光栅———阶梯光栅(echelle),并对这种光栅的刻划技术做了开拓性的工作[1-3]。阶梯光栅实质上是一种粗光栅,具有较大的闪耀角,典型的是63°26′、69°和76°,可以用于很高的干涉级次,通常10~100级,因此可获得极高的分辨率。阶梯光栅在光谱学的许多领域都是非常有用的,特别是它集中了宽波段、高色散、高分辨率等特点,引起了天文学家的极大兴趣,率先得到天文应用[4]。

　　二维高效光电成像探测器件的出现,尤其是大面积低噪声高量子效率CCD的发展,引起了人们对二维色散光谱仪的兴趣。利用阶梯光栅为主色散元件,辅以横向色散元件进行级次分离,用面阵CCD可同时记录下很宽光谱范围的高分辨率(R=105~106)光谱,这样的光谱仪可以用来研究天体的化学元素丰度和天体的磁场及大气运动等现象。20世纪80年代,随着刻划技术的发展,高质量的阶梯光栅复制成功,世界上许多2~4 m级天文望远镜都配置了阶梯光栅光谱仪[5-6],至20世纪末,世界上已有10架8~10 m级光学/红外望远镜用于天文观测,这些甚大望远镜均配置高分辨率阶梯光栅光谱仪[7]。

　　1995年我国研制成功2.16 m望远镜折轴阶梯光栅分光仪,该仪器是我国首次研制的大型阶梯光栅光谱仪器,其研制成功为我国天文界开展高分辨率光谱研究提供了有效的观测手段,曾多次参加国际天文联测,已获大批天文成果,得到了中外天文学家的高度评价。目前正在研制中的国家“九五”重大科学工程项目———大天区面积多目标光纤光谱望远镜(简称LAMOST),将配置16台低分辨率多目标光纤光谱仪和1台高分辨率阶梯光栅光谱仪[8]。

　　2　阶梯光栅的原理及特点

　　由光栅的角色散公式可知,如果用低级次光谱(第1或第2级),只有细刻线光栅才能获得高角色散;如果用高级次光谱(几十或上百级),则粗光栅同样可以获得高角色散。为利用高级次光谱和大入射角而特殊设计的一种光栅———阶梯光栅(Echelle)[9],如图1所示。

　　阶梯光栅衍射方程:

　　mλ=σcosγ(sinα+sinβ) , (1)

　　式中m为衍射级次;σ为光栅常数;α,β分别为入射角和衍射角,在y-z平面内从阶梯光栅的法线N量起;γ为入射光束与y-z平面的夹角;θb为光栅法线N与刻划面法线Z的夹角,称阶梯光栅闪耀角;θ为在y- z平面内入射光与刻划面法线Z的夹角。