高分辨率的双光栅单色仪光路装置的制作方法

本发明属于光谱测量仪器领域，涉及机电系统、光学元件、光电测量系统，具体涉及一种高分辨率的双光栅单色仪光路装置。
背景技术：
：光谱测量仪器被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度检测或电磁辐射分析等。光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件(光栅或棱镜)、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定，通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。它是应用光学技术及光谱检测技术原理,对物质的结构和组成进行观测、分析和处理的基本设备,具有分析精度高、测量范围大、测量速度快和样品用量少等优点,广泛用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等部门,也是航空航天、宇宙探索、资源和水文勘测所必不可少的仪器,具有极为重要的应用价值与广阔的市场前景。不同领域的应用对光谱仪器的分辨率有特定的要求，在某些要求比较高的领域为了高的分辨率不得不采用增大透镜和光栅尺寸或者级联单色器的方法，这增加了仪器的体积和重量，又不利于特殊环境下的便携要求。本发明主要光路只采用两块衍射光栅和一个透镜，具有机构紧凑体积小的优点，同时两块光栅形成3次衍射，提高了仪器的分辨率。随着制造工艺水平的进步,光栅制造技术得到了快速的发展，近年来由于成功的应用干涉计量技术实现了对光栅刻划机的精密控制，使得高质量光栅的复制成为可能，光栅在各种光电测量仪器中得到了广泛的应用。采用光栅衍射色散技术的光谱仪器已成为当今光谱仪的主要发展趋势。一般光栅单色仪或光谱仪光路结构由入射狭缝，准直镜，衍射光栅，聚焦镜和出射狭缝或ccd探测器构成，传统的光路结构中入射光只发生一次衍射，分辨率受光栅线密度的限制，难以做到很高。为了达到更高的分辨率，当今的主流做法是将两个单色仪光路级联，即在一块光栅衍射分光以后再串入第二块光栅进行第二次衍射，例如中科院长春光学精密机械与物理所发明的高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构(中国专利：cn103226244a)。该结构的光谱仪中需要多个准直和聚焦镜，同时为了达到筛选波长的目的，必须对两块光栅同时进行精密的转动，仪器体积庞大，结构复杂，机电控制难度高。如果要实现更加高的分辨率，就必须再级联第三个单色仪光路，整个仪器的体积和复杂度将会变得难以接受。exfo公司的光通信信道检测光谱仪的光路(美国专利：us6636306b2)，主要包括：入射狭缝，准直元件，光栅，直角棱镜，聚焦元件，出射狭缝和机械旋转机构。这种光路结构的功能实际上是可选波长的单色器，即将待测的复色光信号分解为各单色光信号。工作过程是：准直元件将从入射狭缝出射的发散复色光准直为平行光照射到光栅上半部分上，光栅将复色光分解为单色光，各单色光被直角棱镜再次反射到光栅下半部分，形成第二次分光后，只有一路单色光被聚焦元件聚焦于出射狭缝上输出至探测电路，通过机械旋转机构带动直角棱镜旋转完成选光功能。由于该光路结构仍是发生了两次衍射，其分辨率与双级联光谱仪相当。同时，两次衍射需要照射到光栅上下两部分，因此需要光栅的面积很大。针对上述缺陷，研制结构简单、体积小，又满足高分辨率要求的单色仪或光谱仪器是十分必要的。技术实现要素：为克服现有技术的不足，本发明旨在提出结构简单、体积小，又满足高分辨率要求的单色仪或光谱仪器。本发明采用的技术方案是高分辨率的双光栅单色仪光路装置，结构是由光环形器，光纤信号输入端口，入射光纤端口，准直与聚焦镜，光栅1，光栅2，光栅旋转机构和出射光纤端口组成；光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口,光信号经过光环行器的第二端口从入射光纤端口进入自由空间，经过双胶合透镜准直以后照射到光栅1上发生第一次衍射，光栅1将光信号衍射到光栅2上进行第二次衍射，紧接着光栅2又将光信号按原路衍射回光栅1进行第三次衍射，第三次衍射光按第一次衍射的入射角返回双胶合透镜，然后被双胶合透镜聚焦后进入入射光纤端口，从光环行器的第二端口进入后，从第三端口即光纤出射端口出射；光栅旋转机构是具有可绕固定中心轴周期性摆动的机电系统；光栅旋转机构带动固定在其上面的光栅2转动形成角度扫描，通过光栅2的角度扫描，不同波长的单色光分别从光纤出射端口出射。光纤出射端口后面放置单元探测器,在光栅旋转结构扫描过程中,不同波长的单色光依次以特定衍射角经光栅三次衍射分光，从而实现不同波长的单色光在探测器上的连续扫描探测。准直和聚焦镜为同一消色差双胶合透镜。外部待测光信号,可以为自由空间光信号，自由空间光信号需先耦合进光纤,然后经光纤引入信号输入端口。光纤连接装置既可是标准的fc端口光纤连接器,又可是标准的sma端口光纤连接器。双胶合准直和聚焦透镜也可以是离轴抛物面反射镜。光栅1也可以是平面透射式衍射光栅。本发明的特点及有益效果是：本发明采用两块平面反射式衍射光栅对待测光信号进行衍射，经光栅三次分光,提高了此类光谱仪器的光学分辨率,使其在较宽的光谱范围内具有较高的光谱分辨率,能够被广泛应用于各个光谱波段,根据具体需要可以采用灵活的参数设计，具有明显的技术优势，同时具备结构简单、紧凑，体积小的特点。附图说明：图1为本发明的结构原理图:图中1为光纤信号输入端口、2为入射光纤端口、3为准直与聚焦镜、4为平面衍射光栅1、5为平面衍射光栅2、6为光栅旋转机构、7为出射光纤端口、8为光环形器；图2为本发明的具体实施例的仿真结构图；图3为本发明的具体实施例的1335nm、1336nm、1337nm多波长仿真光斑点列图；图4为本发明的具体实施例的接收光纤面内仿真光斑点列图。具体实施方式本发明提供的高分辨率双光栅单色仪光路结构是由光环形器，光纤信号输入端口，入射光纤端口，准直与聚焦镜，光栅1，光栅2，光栅旋转机构和出射光纤端口组成。光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口,光信号经过光环行器的第二端口从入射光纤端口进入自由空间，自由空间是相对于光纤等器件而言的，是指在空气或者真空等不存在实质传输介质的路径中传播。经过双胶合透镜准直以后照射到光栅1上发生第一次衍射，光栅1将光信号衍射到光栅2上进行第二次衍射，紧接着光栅2又将光信号按原路衍射回光栅1进行第三次衍射，第三次衍射光按第一次衍射的入射角返回双胶合透镜，然后被双胶合透镜聚焦后进入入射光纤端口，从光环行器的第二端口进入后，从第三端口即光纤出射端口出射。光栅旋转机构带动固定在其上面的光栅2转动形成角度扫描，通过光栅2的角度扫描，不同波长的单色光分别从光纤出射端口出射。光纤出射端口后面放置高灵敏度单元探测器,在光栅旋转结构扫描过程中,不同波长的单色光依次以特定衍射角经光栅三次衍射分光，从而实现不同波长的单色光在探测器上的连续扫描探测。准直和聚焦镜为同一消色差双胶合透镜。本发明采用了新结构的光学分光系统,利用两块平面衍射光栅对入射光进行三次衍射，具有分辨率高、结构简单和体积小的优势。本发明中,外部待测光信号,可以为自由空间光信号，自由空间光信号需先耦合进光纤,然后经光纤引入信号输入端口。本发明中,光纤连接装置既可是标准的fc端口光纤连接器,又可是标准的sma端口光纤连接器。本发明中，双胶合准直和聚焦透镜也可以是离轴抛物面反射镜。本发明中，光栅1也可以是平面透射式衍射光栅。本发明中，在光纤芯径较大的情况下，可在入射光纤端口后附加狭缝对入射光束进行调整,以提高仪器的光谱分辨率。本发明中，光环形器可也可以是双端口光纤阵列，光纤阵列的两个光纤端口都位于准直与聚焦镜的焦平面内，并关于焦点上下对称分布，分别作为入射和出射狭缝。下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。如图1所示,本装置由光环形器(8)，光纤信号输入端口(1)，入射光纤端口(2)，准直与聚焦镜(3)，光栅1(4)，光栅2(5)，光栅旋转机构(6)和出射光纤端口(7)组成。光栅旋转机构(6)是具有可绕固定中心轴周期性摆动的机电系统。待测光信号光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口1,光信号经过光环行器的第二端口2从入射光纤端口进入自由空间，经过双胶合透镜3准直以后照射到光栅1上进行第一次衍射分光，然后光栅1将光信号衍射射到光栅2上进行第二次衍射分光，紧接着光栅2又将光信号按原路衍射回光栅1进行第三次衍射分光，第三次衍射光按第一次衍射的入射角返回双胶合透镜，然后经过双胶合透镜聚焦后进入入射光纤端口2，从光环行器的第二端口2进入后，从第三端口7即光纤出射端口出射。通过光栅旋转机构的角度扫描，不同波长的单色光分别从光纤出射端口7出射。光环行器的端口芯径为10μ射，实施例一的系统参数如下：表面编号名称曲率半径/mm厚度/mm玻璃口径/mm1双胶合透镜面1-31.9201.3n-sf6ht42双胶合透镜面28.6003.3n-lak2243双胶合透镜面3-7.75030-44光栅1infinity-30-205光栅2infinity30-20光栅刻线密度为1050lp/mm。选取波长为1335nm、1336nm、1337nm的复色光输入单色仪中，设定1336nm为所需单色光。以上三个波长的复色光经过单色仪分光以后，由图3可知，在接收面其线色散率达到了280μm/nm，接收光纤口径为10μm，因此该单色仪的分辨率可达35pm。从图4可以看出，接收光纤面内只有1336nm的光，光斑rms半径3.347μm，小于光纤半径，容易实现高效率耦合。当前第1页12