高速中红外光栅光谱仪设计与应用研究

　　0 引 言

　　光谱学是研究光谱测量的科学，包括对紫外、可见、红外光谱波段的光谱位置、光谱强度、光谱轮廓、光谱辐射寿命、光谱辐射偏振度和光谱辐射相干性的测量，对现代科学领域中很多学科的发展具有重要意义。光谱仪器已广泛应用于能源工程、空间工程、资源开发、化工、石油、纺织、冶金及新型材料工业和环境保护等诸多领域[1]。

　　在高能激光器的研制过程中，对光谱成份及光谱分布等情况的研究分析具有十分重要的意义，它对增益特性的研究以及选频等技术的发展具有重要价值。高能激光器输出功率的起伏以及谱线竞争等作用的结果使得光谱测量技术具有一定的特殊要求。为了得到更真实准确的光谱数据，我们必须以足够高的帧频进行光谱测量。所以高速光谱测量技术研究成为当前激光器研制过程中的一项重要内容。

　　1 工作原理及参数设计

　　目前，光谱测量技术主要分为干涉型和分光型两大类。干涉型光谱测量技术以迈克尔逊干涉仪(或其变形结构)为核心，通过傅立叶变换获得信号光的光谱信息。它特别适合对微弱光信号的探测，但是由于其时间积分特性，帧频很难大幅提高。而分光型光谱测量技术是基于棱镜或光栅分光原理，把信号光按频率分开，对不同频率的光信号进行分别探测，从而获得信号光的光谱特征。由此可见分光型的光谱测量速度主要取决于探测方式和探测器性能。而根据我们的应用场合和应用特点，为了进一步减小功率起伏带来的影响，必须提高帧频实现光谱的快速探测。经过对比各种光谱探测原理[2]，我们采用光栅分光方式对光谱进行测量。仪器结构及实验框图见图 1 所示。

　　物镜的作用是把待测光源会聚到光栅分光系统入射狭缝处。根据实际应用采用适当的光路结构，例如只是单单测量目标的光谱成份可以采用单透镜把光源会聚即可;如果希望分析待测光源水平方向各点的光谱成份，则需要把光源进行 90°旋转，并且在两个方向进行分别缩放进而与入射狭缝相匹配，在此不做过多讨论。

　　分光元件采用闪耀光栅。适当选择刻槽形状，可以把能量集中到某一所需的光谱级，同时减弱其余各级光谱，包括最亮的零级光谱在内。闪耀光栅的刻槽面与光栅面不平行，两者之间有一夹角。这样的结构可使单个刻槽面(相当于单缝)衍射的中央极大和各个槽面间(缝间)干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级主极大(零级光谱)，转移并集中到某一级光谱上去，实现该级光谱的闪耀，如图 2 所示。

　　当α=β时，即在光栅刻槽面上与入射光具有镜面反射关系的衍射光的光强最大，此方向称为闪耀方向，对应的波长叫闪耀波长。光栅光谱仪系统光路结构见图 3。