一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪

技术领域

本发明属于太阳辐射探测和大气环境监测诊断技术领域，具体涉及一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪。

背景技术

高分辨率紫外光谱仪是应用于人造地球卫星轨道对太阳耀斑爆发活动进行监测，以及对临近空间大气密度和成分构成进行分析的重要设备，也可以用于大气污染监测、天文目标探测和紫外光谱特性分析等应用领域。当太阳耀斑爆发时，包括紫外波段在内的太阳短波电磁辐射流量变化十分剧烈，光谱强度分布的差异十分显著。当太阳紫外辐射穿过地球大气时，一般来说，辐射波长越短，被大气吸收越强烈，作用在临近空间大气环境的主要辐射成分是FUV-UV波段。由于不同大气成分对光谱吸收具有强烈的选择性，不同波长的紫外辐射到达的大气高度具有显著区别，部分远紫外辐射可达到30～35km高度范围，在剧烈太阳活动爆发及中高层大气扰动条件下，有可能达到更低的大气高度；而280～320nm的近紫外/紫外波段是从被大气完全吸收到透过的过渡区域，能量吸收程度与大气厚度具有高度相关的函数关系。太阳高能电磁辐射监测有助于了解中高层大气与临近空间大气条件变化的因果关系；同时，太阳高能电磁辐射在穿越上层大气的过程中被吸收的能量值也可以作为临近空间大气密度的重要指示器。因此，通过高分辨率紫外光谱仪的探测数据分析，可以获得太阳爆发活动情况，以及临近空间大气密度和成分构成等相关信息。

目前，国际上已经具有一些工波长≤200nm和≥280nm不同波段的紫外/远紫外光谱仪，但是，还没有能够完全覆盖170-400nm波段的紫外光谱仪；现有设备的光谱分辨率通常为1nm左右，部分具有较高光谱分辨率的仪器存在工作波段窄、仪器尺寸大等问题，尚未有能够覆盖170-400nm工作波段、光谱分辨率达到0.1nm的紧凑型设备。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的紫外光谱仪存在上述缺陷，本发明提出了一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪，本发明的紫外光谱仪能够覆盖170-400nm波段，可工作于人造卫星平台或高空气球，且在±0.5°入射角和全波段范围内光谱分辨率可达到0.1nm，达到了宽波段覆盖、高光谱分辨率获得和轻量化小型化仪器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪，解决目前国际上还没有能够完全覆盖170-400nm波段的紧凑型高分辨率紫外光谱仪，并可搭载于人造卫星或高空气球平台进行探测，结构紧凑的光路，并优化了一组适用于紧凑型宽波段高分辨率紫外光谱仪的光学元件参数、光路参数和光学元件安装参数。

所述紫外光谱仪包括：支撑架、一次折返镜、二次折返镜、罗兰圆光栅和球面镜；所述一次折返镜、二次折返镜、罗兰圆光栅和球面镜均安装在支撑架上；支撑架的一侧开有入射狭缝，支撑架内的底部固有一次折返镜，且与入射狭缝相对放置；一次折返镜的斜上方固有二次折返镜，且与一次折返镜相对放置；二次折返镜的斜上方固有罗兰圆光栅，且与二次折返镜相对放置；罗兰圆光栅的斜上方固有球面镜，且与罗兰圆光栅相对放置；支撑架的另一侧开有多个出射狭缝，且多个出射狭缝位于球面镜的斜上方；

紫外光线从入射狭缝的窗口水平入射，经过一次折返镜和二次折返镜进行反射，紫外光线入射到罗兰圆光栅进行分光，获得多个分光后的单色光，每个分光后的单色光经过球面镜聚焦反射到每种波长光线所对应的出射位置，并通过不同的出射狭缝进入探测器。

作为上述技术方案的改进之一，所述支撑架包括：顶板、底板、第一侧板、第二侧板、斜板和矩形结构体；

所述顶板和底板呈上下相对放置，第一侧板和第二侧板分别对应地放置在顶板和底板的两端，靠近底板的一端设有直角梯形结构体，直角梯形结构体位于第二侧板的下方，上述五者共同形成一个一体式的长方体结构，且顶板和底板分别向同一侧延伸，形成各自的延伸段；该长方体结构内固有斜板，且斜板的两端分别固定在顶板和第一侧板上；第一侧板上开有靠近底板的入射狭缝，且靠近入射狭缝处，第一侧板向外侧延伸，并设有矩形结构体，矩形结构体位于入射狭缝之上；底板的中部设有隔板，直角梯形结构体设置在靠近隔板的一侧；隔板和直角梯形结构体均设置在长方体结构内。

作为上述技术方案的改进之一，所述一次折返镜设置在隔板上，二次折返镜设置在矩形结构体的内壁上，罗兰圆光栅设置在直角梯形结构体的斜面上，球面镜设置在斜板上，第二侧板上开设出射斜缝；混合波长的光辐射经入射狭缝射入一次折返镜，并经二次折返镜射入罗兰圆光栅，通过罗兰圆光栅将紫外光线进行高分辨率分光，获得多个分光后的单色光，将每个分光后的单色光经球面镜聚焦反射后再沿着出射缝隙射出。

作为上述技术方案的改进之一，所述入射狭缝的宽度为59-61um，其长度为8-10mm；

所述一次折返镜为表面粗糙度小于或等于10nm的超光滑平面镜，

所述二次折返镜为表面粗糙度小于或等于10nm的超光滑平面镜；

所述罗兰圆光栅呈球面形；罗兰圆光栅的曲率半径为496～500mm，罗兰圆光栅的线密度为2670～2730lp/mm；

所述球面镜呈球面形，所述球面镜的曲率半径为645mm～655mm，其表面粗糙度小于10nm；

所述出射狭缝的狭缝宽度为495～505um。

作为上述技术方案的改进之一，所述入射狭缝与一次折返镜之间的距离为119-121mm；

一次折返镜与二次折返镜之间的距离为109-111mm；

二次折返镜与罗兰圆光栅之间的距离为138.5-141.5mm；

罗兰圆光栅与球面镜之间的距离为119-121mm；

球面镜与出射狭缝之间的距离为165-168mm。

作为上述技术方案的改进之一，所述入射狭缝的中心与一次折返镜的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴平行；

一次折返镜的中心与二次折返镜的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴负方向的夹角为5.94°～6.06°；

二次折返镜中心与罗兰圆光栅中心连线与XYZ坐标轴的Z轴正方向夹角为-5.94°～-6.06°；

罗兰圆光栅的中心与球面镜的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴负方向夹角为29.2°～29.8°；

球面镜的中心与出射狭缝的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴正方向夹角为15.3°～15.7°。

作为上述技术方案的改进之一，所述一次折返镜的中心绕X轴顺时针旋转2.97°～3.03°；

二次折返镜位于XY平面；罗兰圆光栅的几何中心法线与Y轴正方向夹角-54.5°～-53.5°；

球面镜的几何中心法线与Z轴正方向夹角6.93°～7.07°；

出射狭缝的几何中心法线与Z轴负方向夹角为8.4°～8.6°。

作为上述技术方案的改进之一，所述多个出射狭缝开设在探测器固定架上，该探测器固定架呈圆弧形结构，在探测器固定架上通过多个固定隔板隔成多段，每段的中部设有出射狭缝，每段上设有多个呈纵向排列、递深的回字形结构。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的紫外光谱仪能够很好地覆盖170-400nm波段、具有0.1nm高光谱分辨率和轻量化、小型化，一次折返镜和二次折返镜极大缩短了罗兰圆光路的入射臂长度，球面镜聚焦反射缩小了光谱在空间上的分布距离，达到结构紧凑的光路、高光谱分辨率和宽波段覆盖。

附图说明

图1是本发明的一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪的结构示意图；

图2是本发明的一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪的一个具体实施例的170nm波长的光路路径的示意图；

图3是本发明的一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪的另一个具体实施例的400nm波长的光路路径的示意图。

附图说明：

1、入射狭缝 2、一次折返镜

3、二次折返镜 4、罗兰圆光栅

5、球面镜 6、出射狭缝

7、支撑架 8、顶板

9、底板 10、隔板

11、直角梯形结构体 12、第一侧板

13、第二侧板 14、斜板

15、矩形结构体 16、探测器固定架

17、固定隔板

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种紧凑型高分辨率宽波段紫外光谱仪，

所述紫外光谱仪包括：支撑架7、一次折返镜2、二次折返镜3、罗兰圆光栅4和球面镜5；所述一次折返镜2、二次折返镜3、罗兰圆光栅4和球面镜5均安装在支撑架7上；支撑架7的左侧开有入射狭缝1，支撑架7的底部固有一次折返镜2，且与入射狭缝1相对放置；一次折返镜2的左斜上方固有二次折返镜3，且与一次折返镜2相对放置；二次折返镜3的右斜上方固有罗兰圆光栅4，且与二次折返镜3相对放置；罗兰圆光栅4的左斜上方固有球面镜5，且与罗兰圆光栅4相对放置；支撑架7的另一侧开有多个出射狭缝6，且多个出射狭缝6位于球面镜5的斜上方；其中，支撑架7的另一侧为与支撑架7的一侧相对的相对侧；

紫外光线从入射狭缝1的窗口水平入射，经过一次折返镜2和二次折返镜3进行反射，紫外光线入射到罗兰圆光栅4进行分光，获得多个分光后的单色光，每个分光后的单色光经过球面镜5聚焦反射到每种波长光线所对应的出射位置，并通过不同的出射狭缝6进入探测器。

所述支撑架7包括：顶板8、底板9、第一侧板12、第二侧板13、斜板14和矩形结构体15；

顶板8和底板9呈上下相对放置，第一侧板12和第二侧板13分别对应地放置在顶板8和底板9的两端，靠近底板9的一端设有直角梯形结构体11，直角梯形结构体11位于第二侧板13的下方，上述五者共同形成一个一体式的长方体结构，且顶板8和底板9分别向右侧延伸，形成各自的延伸段；该长方体结构内固有斜板14，且斜板14的两端分别固定在顶板8和第一侧板12上；第一侧板12上开有靠近底板9的入射狭缝1，且靠近入射狭缝1处，第一侧板12向外侧延伸，并设有矩形结构体15，矩形结构体15位于入射狭缝1之上；底板9的中部设有隔板10，直角梯形结构体11设置在靠近隔板10的一侧；隔板10和直角梯形结构体11均设置在长方体结构内。其中，斜板14的左端固定在矩形结构体15的内壁上，其右端固定在顶板8上。

一次折返镜2设置在隔板10上，二次折返镜3设置在矩形结构体15的内壁上，罗兰圆光栅4设置在直角梯形结构体11的斜面上，球面镜5设置在斜板14上，第二侧板13上开设出射斜缝6。紫外光线经入射狭缝射入一次折返镜2，并经二次折返镜3射入罗兰圆光栅4，通过具有2700lp/mm的罗兰圆光栅4将紫外光线进行高分辨率分光，获得多个分光后的单色光，使得波长间隔Δλ≤0.1nm的紫外光线在空间上的分布距离大于3个像元以上尺寸，实现宽波段覆盖和高分辨率分光目标；将每个分光后的单色光经球面镜5聚焦后再沿着出射缝隙6射出。

其中，入射光路和分光出射光路满足罗兰圆光路参数，入射狭缝1的长度为8-10mm，保证在±0.5°入射方向的紫外光线经分光后获得的光谱位置保持稳定，强度稳定，且不会引入过多杂散光干扰，实现紫外光线高精度探测目标。在入射狭缝1和罗兰圆光栅4之间设置一次折返镜2和二次折返镜3，极大缩短入射臂光路长度，同时，在罗兰圆光栅4之后设置球面镜5，球面镜5将分光光谱进行聚焦反射，极大压缩了光谱的空间分布范围，达到紧凑设计的效果。

在本实施例中，入射狭缝1、一次折返镜2、二次折返镜3、罗兰圆光栅4和球面镜5和出射斜缝6的具体参数如下：

所述入射狭缝1的宽度为60um，其长度为8-10mm；

所述一次折返镜2为表面粗糙度小于或等于10nm的超光滑平面镜，其反射面尺寸为12mm×20mm(±0.2mm)；

所述二次折返镜3为表面粗糙度小于或等于10nm的超光滑平面镜，其反射面尺寸为12mm×20mm(±0.2mm)；

所述一次折返镜2和所述二次折返镜3均为表面粗糙度小于或等于10nm、表面镀铝的超光滑平面镜，保持超洁净度，实现170-400nm波段的紫外辐射高效率反射。

所述罗兰圆光栅4的口径为50.8mm×50.8mm(±0.5mm)，优选为50.8mm×50.8mm；所述罗兰圆光栅4呈球面形，罗兰圆光栅(4)的曲率半径为496～500mm，罗兰圆光栅(4)的线密度为2670～2730lp/mm；优选为，其曲率半径为R498.1mm，其线密度为2700lp/mm。

其中，采用线密度为2700lp/mm的罗兰圆光栅4，使得光线以42度入射角进入后，170-400nm波段的紫外光线被分光后在-1级衍射极大值对应的出射角度具有合理的范围，如图2和3所示170nm和400nm波长成分对应在出射狭缝6中的位置。

所述球面镜5的口径为120mm×40mm(±0.4mm)，优选为120mm×40mm所述球面镜5呈球面形，所述球面镜(5)的曲率半径为645mm～655mm，优选为，其曲率半径R650mm，表面粗糙度小于10nm。

所述出射狭缝6的狭缝宽度为500um，总长度为168-170mm。所述出射狭缝6的外表面增设探测器固定架16，该探测器固定架16呈圆弧形结构，在探测器固定架16上开有多个镂空槽17，镂空槽17之间为出射狭缝6，且探测固定架16之上安装探测器，探测器覆盖在每个出射狭缝上，用于供每个单色光射出后吧，通过探测器进行探测。

入射狭缝1、一次折返镜2、二次折返镜3、罗兰圆光栅4和球面镜5的中心在同一平面，所述入射狭缝1与一次折返镜2之间的距离为119-121mm；一次折返镜2与二次折返镜3之间的距离为109-111mm；二次折返镜3与罗兰圆光栅4之间的距离为138.5-141.5mm；罗兰圆光栅4与球面镜5之间的距离为119-121mm，球面镜5与出射狭缝6之间的距离为165-168mm。

优选地，入射狭缝1与一次折返镜2之间的距离为120mm；一次折返镜2与二次折返镜3之间的距离为110mm；二次折返镜3与罗兰圆光栅4之间的距离为140mm；罗兰圆光栅4与球面镜5之间的距离为120mm，球面镜5与出射狭缝6之间的距离为166.5mm。

所述入射狭缝1的中心与一次折返镜2的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴平行；一次折返镜2的中心与二次折返镜3的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴负方向的夹角为5.94°～6.06°；二次折返镜3中心与罗兰圆光栅4中心连线与XYZ坐标轴的Z轴正方向夹角为-5.94°～-6.06°；罗兰圆光栅4的中心与球面镜5的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴负方向夹角为29.2°～29.8°；球面镜5的中心与出射狭缝6的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴正方向夹角为15.3°～15.7°。

优选地，入射狭缝1的中心与一次折返镜2的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴平行；一次折返镜2的中心与二次折返镜3的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴负方向的夹角为6°；二次折返镜3中心与罗兰圆光栅4中心连线与XYZ坐标轴的Z轴正方向夹角为-6°；罗兰圆光栅4的中心与球面镜5的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴负方向夹角为29.5°；球面镜5的中心与出射狭缝6的中心连线与XYZ坐标轴的Z轴正方向夹角为15.5°。

在以光线入射方向为Z轴正方向、垂直Z轴且垂直纸面向里为X轴正方向的右手坐标系中，初始方向为Y轴正方向，顺时针方向为正方向，逆时针方向为负方向；沿Y轴方向的入射狭缝宽度为60um；

所述一次折返镜2的中心绕X轴顺时针旋转2.97°～3.03°；二次折返镜3位于XY平面；罗兰圆光栅4的几何中心法线与Y轴正方向夹角-54.5°～-53.5°；球面镜5的几何中心法线与Z轴正方向夹角6.93°～7.07°；出射狭缝6的几何中心法线与Z轴负方向夹角为8.4°～8.6°。

优选地，所述一次折返镜2的中心绕X轴顺时针旋转3°；二次折返镜3位于XY平面；罗兰圆光栅4的几何中心法线与Y轴正方向夹角-54°；球面镜5的几何中心法线与Z轴正方向夹角7°；出射狭缝6的几何中心法线与Z轴负方向夹角为8.5°。

所述多个出射狭缝6开设在探测器固定架16上，该探测器固定架16呈圆弧形结构，在探测器固定架16上通过多个固定隔板17隔成多段，每段的中部设有出射狭缝6，每段上设有多个呈纵向排列、递深的回字形结构。在本实施例中，如图1所示，所述出射狭缝6为三个，且纵向排列在探测器固定架16上，所述探测器固定架16通过4个固定隔板17将其分为三段，每段的中部设有出射狭缝6，且每段上设有多个呈纵向排列、递深的回字形结构。

本发明主要依靠罗兰圆光栅4将170-400nm波段的紫外光线进行分光，每个分光后的单色光通过球面镜5进行聚焦反射，缩小光谱在空间的分布范围。罗兰圆光栅4的线密度为2700lp/mm，球面镜5的曲率半径R650mm，对光路的主要性能指标进行仿真分析，根据瑞利判据原则，光路对光谱的分辨能力优于0.015nm，在本发明中，紫外光谱仪的光路对光谱的分辨能力优于0.015nm。

在紫外光谱仪实际应用中，使用3个串联的1024像元线阵探测器覆盖170-400nm波长范围的光谱。基于上述光路及探测器的紫外光谱仪可达到的分辨率为0.08nm。紫外光谱仪结合探测器的像元尺寸，像元采样周期应大于光谱空间周期2倍以上，即经过罗兰圆光栅4分光和球面镜5聚焦后，2个可分辨的相邻光谱成分在出射狭缝6空间分布的位置跨越像元数量大于3个，比如，线阵探测器在光谱分布方向的像元宽度为14um，2个可分辨的相邻光谱位置间隔应大于42um。根据这一条件和假定的线阵探测器像元尺寸参数，本发明紫外光谱仪的光谱分辨率优于0.08nm。因此，基于上述光路的紫外光谱仪可达到的光谱分辨率为0.08nm。

具有2700lp/mm线密度的罗兰圆光栅4将紫外光线进行高分辨率分光，使得分光后的170-400nm波长紫外辐射成分在空间上的分布距离很大；为了减小紫外光谱仪的尺寸，实现紧凑设计，在入射狭缝1和罗兰圆光栅4之间设置一次折返镜2和二次折返镜3，极大缩短入射臂光路长度；同时，在罗兰圆光栅4之后设置球面镜5，球面镜5将分光后的单色光进行聚焦反射，极大压缩了出射狭缝6的光谱空间分布范围，实现紧凑结构的光路。

本发明紧凑型宽波段高分辨率紫外光谱仪在使用时操作简单方便，光源位于入射狭缝前±0.5°范围以内，入射光线进入紫外光谱仪后，在出射狭缝6的位置即可获得高分辨率的紫外光谱成分。

本发明的紫光仪的波段适应性取决于一次折返镜2和二次折返镜3和球面镜5各自的反射效率和罗兰圆光栅4的分光波段适应范围，用于在人造地球卫星轨道对太阳耀斑爆发活动等灾害性空间天气事件进行监测，以及对临近空间大气密度和成分构成进行分析等应用领域。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。