基于双色探测器的双衍射级次共路探测光栅光谱仪

摘要

基于双色探测器的双衍射级次共路探测光栅光谱仪属于光谱分析仪器领域，该光电接收器由两片不同响应波段的光电探测器同轴叠层制作而成，两片探测器使用同一光学窗口；该光栅单色仪同时使用一级和二级衍射光作为有效工作级次，光电探测器同时、分别接收对应的一级和二级衍射光。本发明仅通过光电探测器与光栅双衍射级次的匹配实现宽光谱、高衍射效率的光谱信号探测，提高了光能利用率，降低了光谱仪的整体偏振灵敏性；光电探测器避免了额外分色元件的使用，简化了光路、缩减了仪器体积；缩短了扫描时间；使用一片光栅，提高了稳定性、减少了光栅使用数目，降低了成本。

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析仪器领域，涉及一种使用双色探测器的、双衍射级 次同时共路探测的光栅扫描式光谱仪。

背景技术

现有的光谱仪一般都是由光路结构和探测结构组成。光谱仪器依据其光 谱探测记录方式，常分为单色仪和摄谱仪两大类。以单色仪为核心结构的扫 描式光谱仪因其光学结构易设计加工、波长分辨率和光谱范围设置灵活、容 易实现光谱过采样等优点，在非快速检测领域仍然占据不可替代的位置。

当前以光栅单色仪加单点光电探测器结构的光谱仪（后面内容以“光栅 光谱仪”指代）可以通过使用高刻线密度光栅、增加焦距、提高狭缝采样密 度或减小狭缝宽度等方法较容易的实现高波长分辨率目的，拓展工作波长范 围的方法主要有双光栅或三光栅塔台切换、使用分色器对单光栅的双衍射级 次分离探测及采用双闪耀光栅等方法。其中光栅塔台切换方法在商业领域应 用最为成熟和普及，但需配备多块光栅，提高了成本，光栅的来回切换也会 降低波长标度的稳定性；分色器方法因需加入额外光学元件和双出射光路占 用较大空间，当前使用较少；双闪耀光栅是光栅设计和制造技术的新成果， 但加工难度大、成本高，仅适合航天领域的特殊应用。

现有的光栅光谱仪的光路结构包括：入射狭缝、准直镜、平面光栅、成 像镜及出射狭缝；入射光通过入射狭缝进入光路结构，经过准直镜准直，准 直光线通过光栅后发生色散；色散后的衍射光线通过成像镜后经由出射狭缝 出射进入探测结构中。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于双色探测器的 双衍射级次共路探测光栅光谱仪，该光谱仪通过简单、低成本的方法拓展扫 描式光栅光谱仪的工作波长范围，同时保证足够高的衍射效率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于双色探测器的双衍射级次共路探测光栅光谱仪，该光谱仪包括：光 栅单色仪和光电接收器，该光电接收器由两片不同响应波段的光电探测器同 轴叠层制作而成，两片探测器使用同一光学窗口；该光栅单色仪同时使用一 级和二级衍射光作为有效工作级次，光电探测器同时、分别接收对应的一级 和二级衍射光。

本发明的有益效果是：本发明不需对传统光栅单色仪光路结构进行任何 更改，光栅也仍为传统光栅类型，仅通过光电探测器与光栅双衍射级次的匹 配实现宽光谱、高衍射效率的光谱信号探测；一、二级光谱同时作为工作波 段提高了光能利用率；二级光谱相对一级光谱具有更弱的偏振灵敏度，降低 了光谱仪的整体偏振灵敏性；光电探测器发挥了分色器作用，避免了额外分 色元件的使用，简化了光路、缩减了仪器体积；双衍射级次同时探测缩短了 扫描时间；一二级衍射波长的自动对准，可把波长定标工作简化到仅在第一 级衍射级次内完成；仅使用一片传统类型光栅，相对塔台切换方式提高了稳 定性、减少了光栅使用数目，相对于加工难度高的双闪耀光栅降低了成本。

附图说明

图1本发明采用C-T结构的、工作波长范围在550nm～2200nm、基于 双色探测器的双衍射级次共路探测光栅光谱仪光路图。

图2本发明光栅光谱仪的衍射效率曲线。

图3为双色探测器接收波长与光栅旋转角的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

基于双色探测器的双衍射级次共路探测光栅光谱仪由光栅单色仪和光电 接收器两部分组成；光栅单色仪同时使用一级和二级衍射光作为有效工作级 次；单色仪出射狭缝后侧使用单窗口双色光电探测器同时、分别接收一级和 二级衍射光；波长扫描通过光栅转动实现。

光栅单色仪采用李特洛(Littrow)型、车尔尼-特纳(Czerny-Turner；C-T) 型、艾伯特-法斯特(Eber-Fastie；E-F)型或罗兰（Rowland）型光学结构，光 栅为锯齿槽型的平面或球面光栅。

光谱仪工作波段可在可见至长波红外区间内选择，并由光栅单色仪的光 栅效率特性和双色探测器的响应波段共同确定。

光栅单色仪工作波段的选取方式为：一级光的短波截止波长作为二级光 的长波截止波长，定义为搭接波长；一级光的长波截止波长为搭接波长的二 倍，二级光的短波截止波长为搭接波长的二分之一；全工作谱段宽度为搭接 波长值的1.5倍；光栅槽型设计兼顾一、二级衍射在工作波段内的衍射效率。

光栅单色仪的工作波段可通过增加一级光的使用波长范围、向长波方向 扩展；扩展波长范围以大于2倍搭接波长之外的光栅一级衍射光效率的下降 情况及使用需求确定；使用一级衍射的扩展波长区间时，单色仪入射狭缝前 应加入在2倍搭接波长处截止的短波截止滤光片，以滤除二级衍射中大于二 级衍射长波截止波长的光的干扰；扩展波长区间仍使用下层长波敏感探测器。

光谱仪采用双色探测器对单色仪出射的一、二级光谱自然分级接收；双 色探测器的特征是：以两片不同响应波段的光电探测器同轴叠层制作而成， 两探测器使用同一光学窗口；上层探测器对短波敏感，下层探测器对长波敏 感，二者响应波长有轻微重叠，但上层探测器对下层探测器形成短波截止滤 光片效应；双色探测器可以是Si、Ge、InGaAs、PbS、PbSe、HgCdTe等不 同材料的光敏元的配对组合，或采用不同工艺控制长波和短波截止波长的同 种材料的光敏元组合；不同的双色探测器可覆盖可见至长波红外波段；双色 探测器的选用方法为：上层（短波敏感）探测器的长波截止波长对应于光栅 的搭接波长；上层（短波敏感）探测器用于接收二级光谱，下层（长波敏感） 探测器用于接收一级光谱。

图1为一个采用C-T结构的、基于双色探测器的双衍射级次共路探测光 栅光谱仪光路图。此光栅光谱仪结构由C-T结构单色仪7和双色探测器6两 部分组成；单色仪7由短波截止滤光片8、入射狭缝1、准直镜2、锯齿槽型 平面光栅3、成像镜4及出射狭缝5组成。光栅3使用一级和二级衍射光； 图2为此光栅衍射效率曲线，并在其上标注出了光谱仪的工作波段的划分选 取方式，即：一级和二级衍射的搭接波长选择1100nm；当不使用短波截止 滤光片8（图1中）对一级工作波长扩展时，一级波长的长波截止使用波长 为2200nm，二级波长的短波截止使用波长为550nm，即光谱仪的工作波长 范围为550～1100nm和1100～2200nm两个倍程波长区间，总工作谱段宽度 为1650nm；当对一级工作波长扩展时，仅需当一级输出波长大于2200nm 时，短波截止滤光片8（图1中）加入光路，继续对更长波长的一级衍射光 进行扫描探测，直至衍射效率不满足使用需求；本实施例选择扩展至2500 nm；扩展波长区间仍使用下层长波敏感探测器接收。为与光谱仪的工作波段 匹配，双色探测器选择Si+PbS的光敏元组合方式，上层探测器使用Si，有 效工作波长范围为320nm～1100nm，但只使用550nm～1100nm；下层探测 器使用PbS，有效工作波长范围为1000nm～2900nm，但只使用1100nm～2200 nm（非一级波长扩展模式）或1100nm至2500nm（一级波长扩展模式）。 如图3所示，当光栅平面法线相对入射复色平行光的角度在14.99°至10.12 °内连续转动扫描（角度递减）时，双色探测器同时、分别接收波长在1100～ 2200nm和550～1100nm范围内近似线性增长变化的一级和二级衍射单色 光，此时短波截止滤光片8（图1中）不加入光路；当光栅转角小于10.12 °且继续扫描（角度递减）时，短波截止滤光片8（图1中）加入光路，以 滤除2200nm以下的波长，此时下层长波敏感探测器继续接收波长大于2200 nm的一级衍射光，上层短波敏感探测器无响应。