超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计

孙 慈，杨 晋*，朱继伟，马婷婷，冯树龙，宋 楠，郭雪强，郭汉洲

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.长春长光格瑞光电技术有限公司，吉林长春130102；3.长春国科医工科技发展有限公司，吉林长春130102）

1 引 言

光谱技术作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质量控制等方面发挥着巨大作用。它依据物质发射、吸收光辐射的频率和强度，实现物质的定性、定量及结构分析，应用非常广泛。中阶梯光栅光谱仪因采用中阶梯光栅作为主色散元件，可以一次获取全波段光谱图像，且较同体积规格仪器的光谱分辨率高、工作波段范围宽、能量效率高，是激光诱导等离子体光谱（La⁃ser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS）、微波等离子体炬（Microwave Plasma Torch，MPT）光谱、拉曼光谱及电感耦合等离子体原子发射光谱（Inductively Couple Plasma，ICP）等先进光谱分析系统的优选分光单元［1-10］。

中阶梯光栅是一种高端色散元件，具有全波闪耀、高色散率、高衍射效率的优点，但其工作于高级次衍射的特点，也带来了严重的光谱叠级现象。通常采用增加棱镜作为辅助色散元件的方法解决该问题，能保证系统的光传输效率且不会引入干扰光谱，但存在色散不均性，衍射级次在短波区级次间隔大，在长波区级次间隔小，引入了级次干扰［11-12］。此外，组合交叉色散结构会在像面形成大面积二维光谱图像，主光线不在固定平面内，需在子午、弧矢两方向分别进行像差校正及焦距补偿，为光学结构的设计增加了困难。

欧美国家很早就开展了中阶梯光栅光谱仪的研发工作，通过探索优化光栅制作、光学设计、光谱探测等关键单元技术，成功研制出多款具备先进技术水平的中阶梯光栅光谱仪。……