双光栅优化设计提升全息凹面光栅光谱仪分辨率

本文主要探讨了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计策略，针对光学领域中的高精度光谱分析需求。传统的单光栅光谱仪在处理宽波段时可能面临光谱分辨率下降的问题，而本文提出的创新方法则是将整个工作波段200~800 nm分成两个部分，通过使用两个结构相同的平场全息凹面光栅来实现。每个光栅分别负责一个半波段，这样可以显著提高光谱分辨率。 设计的关键在于精确地校正各种像差，包括离焦、像散、彗差和球差。全息凹面光栅的理论提供了基础，通过优化光栅的使用结构和制作工艺，确保每个光栅在各自的工作波段内提供平场成像，减少像差对光谱质量的影响。实验中，设计了一台探测器长度为25 mm的双光栅光谱仪，其第一光栅的工作波段为200~400 nm，光谱像的全宽度优于0.83 nm；第二光栅则处理400~800 nm波段，其光谱像的全宽度为1.68 nm。 通过对比实验，该双光栅方案与同样设计指标的单光栅平场光谱仪相比，证明了其在光谱分辨率上的显著提升。这种优化设计不仅提高了仪器的性能，还为宽波段光谱测量提供了更为精准的方法，对于环境监测、材料分析、生物医学等领域有着重要的应用价值。 此外，文章详细阐述了设计过程中所使用的优化函数和理论依据，如光栅制作技术、像差校正模型以及双光栅系统的设计原则，为类似光谱仪的后续研发提供了理论指导。本文的研究成果对于推动光谱技术的发展，特别是在高分辨率光谱仪的设计和制造方面，具有重要的学术和实际意义。