小型中阶梯光栅光谱仪交叉色散光学系统设计

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1、小型中阶梯光栅光谱仪交叉色散光学系统设计DesignofCompactEchelleGratingSpectrometerCross-dispersionOpticalSystem学科专业：光学工程研究生：赵健指导教师：黄战华教授天津大学精密仪器与光电子光程学院二零一七年六月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同

2、志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要从光谱学发展至今，光谱仪器被越来越多的应用到各种领域，而随

3、着科学技术的不断发展，对光谱仪器的性能要求也越来越高，小型化、宽光谱，高分辨率与瞬态测量代表了光谱仪器的发展方向，光谱仪器中的光学系统设计是光谱仪器能否达到以上目标的决定性因素，本文设计了两种交叉色散光路，并对其光路进行了仿真，对它们的设计结果进行了对比分析。本文完成的主要工作包括：1.探讨了中阶梯光栅光谱仪器的原理和基本光路结构中阶梯光栅具有大闪耀角，高分辨率，光谱级次重叠现象严重，全谱闪耀等特点，根据中阶梯光栅的这些特点，讨论了中阶梯光栅光谱仪器的基本光路结构。2.设计了小型中阶梯光栅光谱仪器的交叉色散光路方案根据中阶

4、梯光栅光谱仪器的基本光路结构，对比了光栅及棱镜作为横向色散元件的优势，然后讨论了交叉色散的方式，设计出了以棱镜为横向色散元件的折叠式棱镜后色散交叉色散光路方案。3.研究了折叠式棱镜后色散交叉色散光路的像差及其消除方法根据方向导数求得了交叉色散光路的光程差，并根据求得的解析式与仿真值进行对比，验证了方向导数计算光程差分析像差的可行性，根据求得的解析式分别讨论了不同物象位置与不同的因素对像差的影响。4.提出了利用超环面镜优化中阶梯光栅光谱仪光路的方法由之前的章节分析可知像散是影响成像质量的最主要因素，探讨超环面镜面型的表达式并

5、与交叉色散光路相结合，设计了基于超环面镜的交叉色散光路,减小了像散对光谱分辨率影响。经过仿真优化后，所设计的光路在波长230-900nm的范围内分辨率小于10pm，且光路尺寸小于400mm。5.选择抛物面镜为准直和成像镜的交叉色散光路结构进行对比分析利用ZEMAX完成了光路仿真，在同一光路尺寸下，设计了一种以抛物面镜为准直和成像镜的交叉色散光路。虽然设计结果也可以达到在波长230-900nm的范围内分辨率优于10pm的目标，但是超环面镜交叉色散光路具有消象散特性，分辨率提高明显，且成像质量优于抛物面镜的设计结果。关键词：交

6、叉色散中阶梯光栅像散超环面镜万方数据ABSTRACTWiththedevelopmentofthespectroscopy,spectrometersareappliedtovariousfields.Scienceandtechnologyrequirespectrometershavecharacteristicsofsmallvolume,broadbandspectrumandhighresolution,whichistheadvancedspectrometerdevelopmentdirections.The

7、designofopticalsystemisthedecisivefactortodecidewhetherthespectrometercanachievetheabovetargetInthispaper,wedesigntwotypescrossdispersionopticalpathandtheirresolutioniscomparedandanalyzedafteropticalpathdesignedinZEMAX.Themaintasksinthisarticleinclude:1.Theprincip

8、leandthebasicstructureoftheechellegratingspectrometerarediscussed.Echellegratinghastheadvantagesofhighresolution,fullbandblaze,butthediffractionordersov