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微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對比分析

點擊次數106  發布時間2019-09-12

  摘要光纖光譜儀自從上個世紀末被發明以來♤其應用越來越廣泛交叉式切尼-特納(Czerny-Turner♤簡稱C-T)光路和基本型C-T光路(M型光路)♤是光纖光譜儀中最常見的兩種分光光路♤本文將詳細介紹交叉C-T光路和M型光路的基礎原理和各自的優缺點♤交叉C-T光路結構緊湊、靈敏度較高♤而M型光路分辨率較高、雜散光性能更優

  常見的微型光譜儀一般是基於光柵分光♤光譜儀的光學光路係統主要分為反射式和透射式係統♤透射式係統光學係統體積較小並且光強較強♤但在遠紅外到遠紫外的光譜範圍內缺少製造透鏡所需要的材料♤會導致測得的光譜曲線不準♤因此現代微型光譜儀很少采用這種結構;反射式係統適用的光譜範圍較廣♤雖然相比透射式係統光強較弱♤但反射鏡不產生色差♤利於獲得平直的譜麵♤成像鏡選用反射鏡能夠保證探測器係統接收光譜的質量所以市麵上主要以反射式光路的光譜儀為主

  反射式光路中♤目前光纖光譜儀市場♤比較普遍采用的光路結構形式分為基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構(非交叉式)和交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構因其形狀酷似字母“M”♤因此也常被稱為M型光路結構♤這便是M型光路的由來

  圖 1基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構♤光路看上去像字母“M”♤所以也稱為M型光路
M型光路看上去也像阿拉伯數字“3”♤因此奧譜天成M型光路光譜儀的名稱均帶有3(第三位數為3)♤
如ATP5030、ATP5034、ATP3030、ATP3034

  圖 2 交叉式C-T光路結構示意圖

  光譜儀光路的光學性能♤主要受數值孔徑、球差、像散、慧差♤及各種像差的綜合性影響♤從而決定了係統的光學靈敏度、雜散光和光學分辨率

  常見光譜儀采用球麵反射鏡♤球差是必然存在的♤球麵鏡無法使係統中各球差項相消♤交叉式和M型光路都隻能校準到一定的水平♤球差是一種累加的方式M型光譜儀可通過控製相對孔徑來使球差小於像差容限♤從而滿足分辨率的要求♤在設計中有選擇的縮小M型光路的數值孔徑可以比較明顯的提高分辨率如果想更進一步的消除球差影響♤那麽可以采用拋物麵或者自由曲麵的方式來進行優化設計♤但是成本昂貴♤加工難度大♤所以目前並沒有被市場接受

  交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構的慧差相對於M型光路來說有個相對突出的特點是♤慧差可以被校準到一個比較理想的數值♤並且得到的光譜斑點較為規整具體體現在對交叉式結構分辨率的提升上

  M型光路在像散優化中具有明顯的天然優勢♤可將像散校正到一個很低的水平相反的交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路在像散的校準方麵比較弱♤使得該光路的光譜分辨率較低

  M型光路由於是一種相對對稱的光學結構♤雜散光會略微好於交叉對稱型光路♤但這並不會直接體現在兩種係統的雜散光最終指標上雜散光的抑製主要還是通過外部光學陷阱♤內部采用吸光材質或者增加粗糙度來提高對漫反射光的吸收♤最終達到消除雜散光效果

  交叉式切尼-特納光路是由M型光路發展而來♤月光宝盒app下载通常認為交叉式光路是一種折疊式的光路♤所謂折疊式就是在整體的結構尺寸和空間利用上有必然的優勢♤結構更緊湊合理M型光路則是一種展開式光路♤在整體的尺寸和空間利用上不及交叉式切尼-特納光路因交叉式光路最為緊湊♤所以在微型光譜儀中通常采用的是就是這種交叉式光路而針對於分辨率要求比較高的場合則更多的采用M型光路

  分辨率是光譜儀最重要的指標之一♤從像差優化設計來看♤M型光路像差優化效果更好♤使得M型光路擁有更佳的分辨率♤主要被用於高分辨率光譜儀中而交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路則用於中低分辨率光譜儀中

 

表 1 M型光路和交叉式C-T型光路的對比

  奧譜天成的光譜儀係列產品齊全♤依據M型光路和交叉式切尼-特納光路各自的光路特點和客戶需求♤設計了多款相應的儀器♤各自均對應不同的應用領域

  l ATP2000、ATP5020、ATP3040、ATP5040采用了交叉型CT光路♤重點突出結構的緊湊性和高靈敏度;

  l ATP3030、ATP5030、ATP3034、ATP5034采用M型光路♤重點突出高分辨率和低雜散光

  狹縫50μm♤光譜儀範圍200-1000nm兩者的分辨率對比圖3可觀察到♤M型光路整段分辨率表現為中間好♤兩邊逐漸變差;交叉型光路往長波方向分辨率逐漸變好這部分的差異主要體現在設計優化中♤可從設計中去調整不同的分辨率走勢來達到設計的要求圖4中可看出♤在520nm處兩種不同光路的點列圖情況♤M型光路的RMS半徑值為11 μm♤交叉型CT光路的RMS半徑值為98 μmM型光路實際測試FWHM=1.3nm♤交叉型光路實際測試FWHM=2.5nmM型光譜儀分辨率明顯好於交叉型光譜儀在實際的使用和光譜儀選擇中♤客戶可根據分辨率、雜散光、靈敏度、體積等幾個指標有針對性的挑選相應的光譜儀♤從而使得儀器與使用需求完美匹配

圖 3 奧譜天成生成的ATP2000和ATP3030

圖 4 兩種光路結構的分辨率RMS spot radius對比♤200-1000nm波長範圍♤從圖中可以看出♤
交叉C-T型光路的光斑尺寸為75 μm♤而M型光路的光斑尺寸僅為3.5 μm♤M型光路的分辨率優於交叉C-T型;(a)交叉型CT光路(該光路應用於ATP2000); (b)M型光路(該光路應用於ATP3030)

  圖 5 200-1000nm光譜範圍♤兩種光路結構在520nm處的分辨率對比♤交叉C-T型光路為98.9 μm♤M型光路為11 μm♤可知M型光路的分辨率明顯優於交叉C-T型;(a) ATP2000交叉型CT光路; (b) ATP3030M型光路

表 2 奧譜天成采用M型光路的光纖光譜儀和采用交叉C-T光路的光纖光譜儀♤型號的第三位數字為3的均為M型光路;型號首位數字為5、6的♤探測器具有製冷

  圖 6 奧譜天成的光纖光譜儀產品集

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