ZnSe平板波导小型光谱仪：高分辨率红外探测

"基于ZnSe平板波导的小型光谱仪光学系统设计，通过缩小元件尺寸和元件间距离实现光谱仪的小型化，但可能会降低仪器性能。本文提出了一种利用ZnSe平板波导设计的高光通量、高光谱分辨率的红外光谱探测器，介绍了平板波导压缩光束的原理，分析了光栅衍射特性和光谱分辨率之间的关系，并给出了具体设计实例。该光谱仪的光谱范围为8至14微米，光谱分辨率为80纳米，数值孔径为0.3，整体光学系统由一块70mm × 70mm × 4mm的ZnSe平板波导构成。相较于传统的Czerny-Turner结构光谱仪，该设计实现了更小的系统尺寸、更高的光谱分辨率和更大的光通量。" 这篇学术文章主要讨论了在光学设计领域中，如何实现小型光谱仪的高性能。传统的小型化策略是减小元件尺寸和间距，但这往往牺牲了光谱仪的性能。为了克服这个问题，作者提出了一种创新的设计方案，即基于锌硒(ZnSe)平板波导的小型光谱仪。这种设计利用平板波导的特殊性质来压缩光束，从而保持或提高光通量和光谱分辨率。 平板波导是一种光子集成技术中的关键元件，它允许光在二维平面内传播，通过控制波导的几何结构和材料属性，可以实现光的高效传输和操控。在本文中，平板波导被用来替代传统光谱仪中的复杂光学组件，简化了系统的构造。作者深入研究了光栅在介质中的衍射特性，推导出光谱分辨率与波导参数之间的数学关系，为实际设计提供了理论依据。 具体到设计实例，光谱仪的工作波长范围覆盖了红外区域，从8微米到14微米，这意味着它可以用于检测和分析这一波段的红外信号。光谱分辨率达到了80纳米，这是一项重要的指标，它决定了光谱仪能够区分两个相邻光谱线的能力。数值孔径为0.3，决定了光进入系统的效率和聚焦能力。整个光学系统被集成在一个70mm × 70mm × 4mm的ZnSe平板波导中，显著减小了设备体积。 对比分析显示，这种基于ZnSe平板波导的光谱仪在保持相同设计指标的情况下，相比Czerny-Turner结构的光谱仪，具有更小的体积、更高的光谱分辨率和更大的光通量。Czerny-Turner结构是常见的分光光度计设计，通常包含反射镜和光栅，而本文提出的设计则通过平板波导的优化实现了更紧凑、更高效的解决方案。 这项工作对于推动光谱仪的小型化和高性能化具有重要意义，特别是在红外光谱探测、遥感、环境监测、生物医学等领域，有望带来更便携、更灵敏的光谱测量设备。同时，该设计也为其他光学器件的微型化提供了新的思路和技术参考。