第36卷，第4期 2016年4月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
宽光谱高分辨率二维光谱信号探测系统设计
吴瑞”，张尹馨*，黄战华’，杨怀栋”，金国藩” 1.光电信息技术科学教育部重点实验室，天津大学，天津300072 2清华大学精密测试技术与仪器国家重点实验室，北京100084
Vol. 36 ,No. 4 ,pp1249-1254
April, 2016
摘要针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求，分析了探测器与光路系统的匹配关系，提出了面阵光谱探测系统的设计方法，设计了具有高灵敏度、低噪声等特点的二维光谱探测系统。该系统包括主控单元、探测器驱动单元、信号处理单元、数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。以滨松S10141型CCD为核心设计的探测系统灵敏度高、动态范围大、信噪比高。结合中阶梯光栅-校棱镜交叉色散光路进行光谱探测实验，结果表明，该探测系统能在200～600nm宽光谱范围内获得高分
辨率二维光谱图像，在Hg灯253.652nm处单色像斑覆盖5个像素，分辨率达到6.3pm。关键调宽光谱；高分辨率，二维光谱；探测系统
中图分类号：0433.1
文献标识码：C
引言
DOI : 10, 3964 /j. issn. 1000-0593 (2016 )04-1249-06
宽约为6em，占CCD探测器5个像素，分辨率达6.3pm。
目标特性等精细化识别中，要求光谱仪具有高灵缴度、高光谱分辨率与高能量通过力等优点，其中，光谱分辨率是光谱仪最重要的指标之一。中阶梯光栅具有光栅常数大，闪耀角大，衍射级次高及全谱闪耀等特点，能在宽光谱范围内获得高光谱分辨率和高衍射效率，以其为核心的交叉色散结构能在二维平面上形成宽光谱范围的精细单色像，从面实现光谱的高分辨率快速区分。为了捕获二维瞬态光谱，以大面积、低噪声、高量子效率CCD为核心的光谱探测系统不可或缺。一般的宽光谱光谱仪为扫描测量，速度较慢；而交叉色散光路与二维光谱探测系统相结合的中阶梯光栅光谱仪可以实现宽光谱的并行快速测量，在连续光源的原子吸收光谱分析、激光诱导等离子光谱、天文光谱测量等应用领域具有重要意义。
本文根据光谱范围为200～600nm的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路的探测需求，提出了探测器选型准则，设计了-种宽光谱高分辨率二维光谱探测系统，并详细介绍了探测系统的CCD驱动单元、电源管理单元、信号处理单元、数据采集与传输单元。该探测系统具有灵敏度高、信噪比高、动态范围大、光度精度高等优点，与中阶梯光础交叉鱼散光路结合进行实验，实验结果表明，Hg灯253.652nm处的半高
收稿日期：2015-07-29，修订日期：2015-11-15
1中阶梯光栅交叉色散光路及光谱特点分析
中阶梯光栅是一种粗光栅，能在宽波长范围内获得高衍射效率和高分辨率光谱，是诸多高端光谱仪的首选色散元件。中阶梯光栅工作在Littrow条件下时，波长衍射效率最高，光谱分辨能力最佳，但入射光和衍射光近乎共轴，难于布局光路。因此，光路采用Off-planeQuasi-Littrow（简称 OL)方式[3-1]，即人射光偏离光栅主截面一个小角度，但在主截面内仍沿阶梯面法线人射。由于中阶梯光栅自由光谱范围小，光谱级次重叠严重，需要在中阶梯光栅的色散方向加入一个棱镜，在与之色散垂直的方向分离重叠的级次，形成二维光谱。
在原有交叉色散基础[3]上改进后，中阶梯光栅-梭镜交叉鱼散光路在ZEMAX中的仿真如图1所示。主色散以中阶梯光栅为核心，采用OL方式，辅助色散通过棱镜在与主色散垂直的方向将重叠的级次分离，系统中准直镜和成像镜以 Czerny-Turner(CT)方式配置，光从针孔进人光学系统，被准直镜准直后由中阶梯光栅色散，再经棱镜分离级次，成像镜将各单色平行光聚焦形成针孔单色像，单色像分布于二维平面，分别对应不同波长。该交叉鱼散光学系统的光谱范围为
基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2014YQ510403），中国科学院战略性先导科技专项(B类，XDB09000000)资助
作者简介：吴瑞，1989年生，天津大学精密仅器与光电子工程学院硕士研究生
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