1 中国兵器工业集团 山东非金属材料研究所，山东 济南 250001
2 山东大学 高效洁净制造教育部重点实验室 机械工程学院，山东 济南 250061
提出一种基于双罗兰圆光学结构的光谱仪光学系统及其设计方法。其中，200 nm～500 nm光路为常规的罗兰圆光学结构；500 nm～700 nm光路运用凹面光栅第零衍射级次光谱线，利用平面反光镜将谱线射入另一个凹面光栅，实现了双罗兰圆光学结构。根据设计要求及光学系统各个参数之间的相互约束，设计、计算出光学系统各个参数指标，基于Zemax仿真分析，调整光学参数并验证光学系统的可行性。针对平面信号探测器在罗兰圆周上存在像差问题，利用反光镜增添信号探测器的可摆放个数，使像差比初始结构减小4.475 μm，光谱仪整体光学结构尺寸小于400 mm × 500 mm。仿真结果表明：光谱仪所测的光谱波段范围可达200 nm～700 nm，全波段分辨率达0.4 nm。
罗兰圆 凹面光栅 光谱仪 Zemax Rowland circle concave grating spectrometer Zemax
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 北京卫星环境工程研究所, 北京 100094
3 可靠性与环境工程技术国家重点实验室, 北京 100094
4 清华大学精密仪器系, 北京 100091
基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,设计了一款兼具大离轴视场和宽波段的太阳极紫外正入射成像光谱仪,使用三个平场探测器,可实现在极紫外波段对包括日冕和过渡区域在内的太阳上层大气的高空间和高光谱分辨观测。该仪器仅有两次反射表面,同时使用周期性的SiC/Al多层镀膜最大化地减小了极紫外波段的光子通量损失,提高了仪器的传输效率。该成像光谱仪的工作波段为40~47 nm、53~60 nm和66~73 nm,口径为100 mm,沿狭缝方向的离轴视场为18',系统的空间分辨率优于0.55″,光谱分辨率优于30×10 -4 nm。
测量 超环面变线距光栅 离轴光栅像差 非罗兰圆结构 太阳极紫外 成像光谱仪 光学学报
2020, 40(23): 2312005
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求，克服Offner光谱成像系统中凸面光栅加工的困难和改进型Czerny-Turner光谱成像系统相对孔径小的缺点，提出一种新型的基于平面光栅的大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统，根据反射球面罗兰圆理论分析了该系统的像散校正方法，利用Matlab软件编制了初始结构快速计算程序。作为实例，设计了一个相对孔径为1/2.5，工作波段为400～1000 nm的Schwarzschild光谱成像系统。首先利用自己编制的Matlab程序计算初始结构参数，再利用Zemax-EE光学设计软件对该光谱成像系统进行光线追迹和优化设计，并对设计结果进行分析。结果表明，在整个工作波段内，点列图弥散斑的尺寸小于13 μm，实现了大相对孔径宽波段像差的同时校正，在宽波段内获得了良好的成像质量，满足设计指标要求，也证明了这种新型Schwarzschild光谱成像系统是可行的，其在航空和航天高光谱遥感领域具有广阔的应用前景。
光学设计 Schwarzschild光谱成像系统 高光谱成像仪 平面光栅 罗兰圆
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
提出了一种改进型Dyson光谱成像系统，以克服传统Dyson光谱成像系统焦平面探测器安置困难的缺点。首先，基于折射球面罗兰圆理论，提出了这种改进型Dyson光谱成像系统的光学设计方法。然后，利用MATLAB软件编制了初始结构参数快速计算程序。 作为实例，设计了一个相对孔径为1/2，波段为200～1 000 nm的Dyson光谱成像系统。利用自己编制的MATLAB程序计算了初始结构参数，利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱成像系统进行了光线追迹和优化设计，并对设计结果进行分析。分析结果表明，在整个工作波段(200～1 000 nm）内，点列图半径均方根值小于4.2 μm，实现了大相对孔径宽波段像散同时校正，在宽波段内同时获得了良好的成像质量，满足设计指标要求。得到的结果验证了所提出的光学设计方法是可行的。
光学设计 Dyson光谱成像系统 成像光谱仪 凹面光栅 罗兰圆 optical design Dyson spectral imaging system imaging spectrometer concave grating Rowland circle 光学 精密工程
2013, 21(10): 2535
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所， 江苏 苏州 215163
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033
分析了罗兰光栅帕邢龙格结构中光栅线密度误差对波长精度的影响。提出一种利用参考光栅在线检测罗兰全息光栅干涉场条纹密度的方法。将具有标准线密度的参考光栅放置在干涉场内曝光位置，通过检验曝光光束的自准直衍射光与空间滤波器中针孔位置的重合度来判断干涉场条纹密度误差。推导了干涉场条纹密度误差与曝光光束自准直衍射光偏移量的解析表达式，发现干涉场条纹密度误差与曝光光束自准直衍射光偏移量、罗兰光栅曲率半径和曝光光束波长有关。以曲率半径750.2 mm的罗兰光栅为例，当采用441.6 nm激光建立光路时，利用此方法可将干涉场条纹密度误差调整至0.035 groove/mm以内。
全息术 光谱仪 衍射光栅 罗兰圆 帕邢龙格结构 线密度误差 激光与光电子学进展
2013, 50(2): 020901
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
2 中国科学院研究生院，北京 100049
3 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，苏州 215163
通过对I型全息凹面光栅制作参量误差对光谱像的影响进行数值计算发现：1)两记录臂长的相对误差而不是绝对误差决定光谱像的展宽程度，即使绝对误差较大，只要两记录臂长的误差值相同，像宽也没有明显改变；2)由于I型光栅的记录臂一般较长，记录角度误差对像宽的影响不大，但会影响光栅的刻线密度，导致光谱成像位置的偏移；3)曲率半径误差对像宽的影响较大.通过数值模拟明确了I型全息凹面光栅制作的误差容许范围，找到了对光谱像宽度影响较大的误差来源，从而为此类光栅的制作提供理论指导，有助于制作出高质量光栅，降低罗兰圆光谱仪的调节难度.
光谱仪 衍射光栅 全息 罗兰圆 光栅制作 Spectrograph Diffraction grating Holography Rowland circle Grating fabrication
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 中国科学院研究生院， 北京 100049
3 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所， 江苏 苏州 215163
罗兰光栅存在的主要像差是像散和弧矢彗差，影响其光通量和光谱分辨率。根据凹面全息光栅的几何像差理论，分析了记录光源点在罗兰圆外所制作的全息罗兰光栅的宽波段像差特性。发现像散和弧矢彗差能够在两个波长处被同时消除；并且在两波长之间的波段范围内，像散和弧矢彗差相对传统光栅均得到明显改善。基于此像差特性提出一种设计宽波段高分辨罗兰光栅的方法，通过选择适当的使用结构和校正波长，能够在整个使用波段有效地校正像散和弧矢彗差。利用这种优化方法设计了工作波段为160~600 nm的罗兰光栅。光线追迹结果显示，所设计光栅的光谱分辨率和能量集中度在整个使用波段较传统光栅均有显著提高。
光栅 全息 罗兰圆 像差校正 宽波段
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 绵阳 621900
为了测量更广能量范围的等离子体辐射的硬X射线轫致辐射光谱,以获得激光等离子体超热电子能谱的特性,基于柱面弯曲晶体的分光原理,提出了透射晶体谱仪。为满足实验中光源到谱仪距离不同的需要,设计了Johann型可调节透射晶体谱仪。谱仪中的会聚狭缝设计成可移动的,位置随着光源到谱仪距离的变化而改变。通过理论计算获得了会聚狭缝位置变量与光源距离变化之间的关系,得出小角度(小于0.2 rad)入射时能够保证入射光线经过晶体后近似会聚于一点,并对谱仪具体设计时遇到的一些问题,给出了初步的理论分析和看法。该谱仪中会聚狭缝的可调节解除了谱仪到光源距离固定的限制；前端晶体的可更换,也增加了谱仪测量的灵活性。
光学仪器 激光等离子体 透射晶体谱仪 罗兰环 柱面弯曲晶体
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心, 杭州 310027
光通信中波分复用技术是解决通信网络瓶颈的有效手段,近年来得到很大发展。以平面波导波分复用器件为核心的密集波分复用技术已经得到成功商用。蚀刻衍射光栅是平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力的一种。原有蚀刻衍射光栅采用罗兰圆设计,输入输出在圆弧曲线上由条形波导引出;而平场输入/输出的蚀刻衍射光栅在很多应用中可以省去制作输入输出波导,大大简化制作工艺,同时能够保持良好的线性色散和聚集效果。给出了平场输入和输出蚀刻衍射光栅的设计方法,并利用标量衍射理论对设计的结果进行模拟,验证了平场输出蚀刻衍射光栅具有很好的分波效果。
导波和光纤光学 蚀刻衍射光栅 平场输出 平面波导 罗兰圆 解复用器
