[实用新型]小型柱面镜多光栅光谱分析仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及到一种光学电子器件，具体为一种柱面镜和多光栅集成的小型柱面镜多光栅光谱分析仪。

背景技术

可对光子能量和波长进行高精度分析的单色仪在光学和光电子领域有着广泛的应用，是现代喇曼和荧光光谱、光吸收、光反射光谱、红外遥感、光通讯光谱、生物芯片光谱等多光谱分析仪器的核心光学器件；其中，应用最广泛的是工作于近紫外至近红外区的光栅型单色仪，光栅结构通常为在具有一定尺寸的光学基板上刻有许多等间距的凹槽，如每毫米600条或每毫米1200条等，实际条纹数目取决于具体的工作波长区和设计要求，光波入射到光栅上将引起不同波长的振幅和相位发生叠加，使反射后的光子在空间按能量或波长作有规则地排列，其关系式为：

dsinθ_m＝mλ+g_o    (1)

式中d是光栅的槽间距，θ_m是第m级的波长为λ的光子在空间的分布角，g_o是与光学系统的结构有关的常数，因此对于m＝1的一级衍射光，可在不同θ角位置上检测到相应波长的光子，在传统光栅单色仪的设计中，光子的入射和出射狭缝位置不变，采用一个机械传动装置，控制光栅的θ角转动，对波长进行扫描，就能从出射狭缝中获得所需要的单色性光子；因此，传统光栅单色仪需要具备如下控制功能：

1.机械控制光栅转动，实现波长扫描；

2.置换光栅，在较宽的光谱工作区，只有在特定波长位置衍射光栅才具有最高的衍射效率，为获得最佳的信噪比质量，通常需要按工作波长更换光栅，例如，在目前使用最多的200-1100nm波长范围，至少需要2块光栅，甚至三块光栅，才能满足高精度光谱分析的要求；

3.置换滤色片，由公式(1)可知，虽然波长不同，但m＝1和m＝2(或更高次)的衍射光会在相同θ角出现，因此，在实际应用中，需要使用一块或多块滤色片，将高次(m≥2)衍射光滤去，才能满足被检测光子单色性的要求。

在目前大多数商品单色仪结构中，上述三个控制功能(光栅扫描、置换光栅、置换滤色片)均通过独立的机械传动结构进行；这一方面增加了仪器的设计和结构复杂性，降低了可靠性，另一方面给使用带来许多不方便，十分费时和麻烦；为了提高波长扫描的效率和精度，面阵式CCD和CMOS等探测器已被广泛应用于光栅型单色仪中，由于受到由公式(1)所决定的光栅衍射张角结构和探测器尺寸的限制，即使采用面阵式探测器，因其在一维方向有限的像素和尺寸，仍难于用一块光栅实现在较宽的光谱范围内进行高精度的全波长覆盖扫描；因此，在目前大多数商品CCD光栅单色仪中，仍需要采用多块光栅和滤色片，方能实现高质量和高精度的波长扫描，其光学结构包括：光源，光栅G_x，球面镜M_x，探测器D_x，光栅G_x为一块或多块光栅组成，采用手动或自动等机械传动机构控制，由光栅出射的衍射光经单个球面反射镜M_x，聚焦在面阵式探测器的成像面上形成光谱，实现对波长的分波长区扫描和测量，由于仍需要用到机械传动装置，在某种程度上削弱了采用面阵式探测器的优点，限制了光谱测量速度.

实用新型内容

为了克服现有的单光栅器件难以使小型化光谱仪同时具有宽光谱工作区和高分辨率的不足，本实用新型提供了一种无需任何机械传动机构，系统工作可靠、寿命长的小型柱面镜多光栅光谱分析仪，该光谱仪不仅具有宽光谱工作区和高分辨率，而且体积小，分量轻，操作方便，可灵活运用于各种环境场合下。

本实用新型解决现有技术中存在的问题所采用的技术方案如下：