智能化多光栅单色仪的研制

引言

单色仪是一种对光子能量或波长进行高分辨分析和选择的光学器件，是光学和光电子领域从事研究的基础光谱分析和测量仪器.已发展了多种类型的单色仪，从原理上主要可分为透射和反射等类型，从应用模式上可分为光栅型和棱镜型等.光栅型单色仪由于使用较为简单方便，在一定的工作范围内，可通过正弦机械机构，实现对波长的线性扫描控制，因此被广泛应用于科学研究中.但是由于光栅单色仪通常采用正弦杆导轨机构，在实用操作上经常会由于操作失误而导致单色仪的机械损坏.虽然多数情况下可以通过重新定标来恢复工作状态，但这种波长重新定标的工作十分化时间，对仪器操作人员有很高的专业技术要求，经常因此而影响了研究正常开展.为克服这一困难，目前大多数仪器都采用了特殊的机械或电子保护装置，以减少发生机械故障的机会.实际应用中，光栅单色仪另一缺陷是单块光栅仅能覆盖有限的光谱波长范围，即仅覆盖闪耀波长附近较小的光谱范围区，以获得较高的信噪比.因此，在多数情况下，需更换一块至多块光栅才能满足实际光谱测量的需要.

而每次更换光栅时，都需对系统进行重新定标，在应用上十分不便.另外，为克服光栅二级衍射光的影响，需根据不同的工作光谱区，采用滤色片将二级衍射光滤去，需要采用另一机械或电子装置来准确对滤色片的位置进行定位和控制，这也增加了光谱测量过程的复杂性.本文介绍的智能化单色仪通过新的设计，有效地克服了上述问题，仅用一个机械转动装置，控制3块光栅，实现了光栅自动置换、波长自动扫描和滤色片控制3种功能，使光谱工作范围得以扩展，测量范围从200一1000nm，显著提高了单色仪的工作可靠性和信噪比质量，使光谱仪出现机械故障或损坏的可能性降到了最小.

1原理

光栅单色仪的核心器件是光栅.如图1所示.从人射狭缝入射的光经球面镜反射后成为平行光，人射到平面光栅上，被光栅反射，形成多级衍射单色光.这些单色光经另一球面镜会聚到出射狭缝所位于的焦平面上，形成出射狭缝处的象.平面光栅的色散公式为[1,5]

式(1)中沪和创分别是光的人射角和衍射角，k为谱线的级数.满足式(l)的波长构成一系列不同级数的光谱线.零级光包合了所有波长，一般选用一级光.如图1所示，对于闪耀光栅，合理设计光栅衍射小平面的闪耀角g，将使一级衍射光方向上具有较强的光信号输出，可获得较高的数据信噪比质量，其最强的衍射波长被称为闪耀波长[1，3，6].

虽然单独一块光栅的一级衍射光输出覆盖了较宽的光谱区范围，但其衍射效率[7一10]随着偏离闪耀波长区距离的增大会逐渐降低，以至于在偏离闪耀波长区的较远端使探测器测不到光信号，另一方面，按公式(l)，谱线中的二级甚至更高级衍射光会与一级光重叠出现在一个光谱位置，需要在使用中避免和克服，采用滤波片将二级以上的衍射光滤去.在本设计中，采用了三光栅结构，并配合滤光片，通过选取合适的光栅，可保证每块光栅都工作在其一级衍射光的最佳效率区，合成的光谱工作范围将覆盖完整的光谱区，使得光谱测量的效率和精度获得显著改善和提高.