[发明专利]提高光谱探测范围的分光装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及复色光的分光，特别涉及能明显提高光谱探测范围的分光装置及方法。

背景技术

光谱仪是一种对采集到的光谱进行连续分布并进行检测的装置。目前，常见的光谱仪结构有Czerny-Turner结构、Paschen-Runge结构、平场凹面光栅分光系统、中阶梯光栅二维分光系统等。中阶梯光栅二维分光系统具有体积小，分辨率高等优点，因此在需要高分辨的场合得到较多应用。

图1示意性地给出了常规中阶梯光栅二维分光系统的基本结构图，如图1所示，所述分光系统包括光源1、集光镜2、入缝3、准直镜4、棱镜5、中阶梯光栅6、成像镜7、探测器8。该分光系统工作过程为：从光源1处发出的光信号经过集光镜2后采集到分光装置中，分光装置包括入缝3、准直镜4、棱镜5、中阶梯光栅6、成像镜7；光信号从入缝3处进入分光装置，光信号以一定的角度发散，经过准直镜4后光信号被准直成平行光入射到由棱镜和光栅组成的二维色散结构，棱镜的色散在垂直方向，光栅的色散在水平方向。经过棱镜和光栅二维色散后的光信号根据波长的不同其衍射角不同，经过成像镜之后，不同衍射角的光信号被成像在成像镜像面上的不同位置，从而实现了分光。

中阶梯光栅具有独特的衍射特性：大闪耀角衍射，高衍射级次，小于100的刻线数，根据光栅衍射方程

mλ＝d(sinα+sinβ)，

中阶梯光栅的使用时通常采用Littrow方式入射，即入射角等于光栅的闪耀角，由此计算出所有波长的级次、衍射角，从结果中发现不同波长的衍射角是相同的，如衍射角等于闪耀角的波长，因此中阶梯光栅存在很严重的级次间重叠，需要一个垂直于光栅色散方向的二次色散来解决级次间重叠问题。

现有的解决方案是采用一个棱镜来消除级次间的重叠，不同波长的光入射到棱镜后其偏折角是不一样的，偏折角的大小与棱镜的折射率、棱镜的夹角等相关，由于棱镜材料折射率从深紫外到可见光到近红外有着逐渐下降的趋势。图2示意性地给出了MgF₂材料折射率和入射光的波长的关系，如图2所示，随着波长的增加，折射率下降逐渐趋缓。由此可见，不同波长经过棱镜后，相同波长差的两束紫外光的偏折角差值大，可见光和近红外光的偏折角差值小。

图3示意性地给出了结合棱镜分光和中阶梯光栅二维分光得到的谱图，如图3所示，短波区域的不同级次的谱线间隔大，而长波区域的不同级次的谱线间隔小，产生了比较严重的级次间重叠问题。短波区域级次间隔很大，尤其是180nm以下的深紫外区域，造成了谱图的浪费，使得整张谱图拉伸，需要用较大的矩形探测器才能获取整张谱图，从而大大增加了探测器成本。

该类分析技术主要有以下不足：

1、棱镜折射率随着波长变化到深紫外(＜180nm)，折射率迅速增大，导致在分光时深紫外130nm～160nm占据大部分谱图，如图3所示；受制于探测器尺寸限制，目前的中阶梯光栅二维分光系统在短波区域只能探测到160nm左右。对于卤族元素Cl、Br、I元素，以及部分非金属元素P、S等元素其最佳检测谱线在130～160nm，无法探测。

2、在像面上光谱在级次方向上呈现出可见光波段特别密集，紫外光谱波段比较稀疏的特点，在可见光波段不同级次之间的谱线容易互相影响，形成级次重叠，尤其500nm以上的长波波段。

3、如图3所示，随着波长从短波到长波，光谱谱图在探测器上分布严重不均匀，造成探测器的空间利用率较低。

4、通常如需采集深紫外波段光谱，需要两次曝光，增加了运动部件，增加了测量时间。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供一种能够扩展光谱探测范围至深紫外而又不增加探测器尺寸，并且能够改善可见光波段光谱级次重叠问题的分光装置，以及应用该分光装置的光谱分析系统，还提供了一种可靠性高、无须维护的能提高光谱探测范围的分光方法，以及应用该分光方法的光谱分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种提高光谱探测范围的分光装置，所述分光装置包括：

第一分光单元，所述第一分光单元用于测量光的分光，所述测量光的波长涵盖[λ₁，λ₂]；

第二分光单元，所述第二分光单元包括用于测量光经过所述第一分光单元分光前或/和后的光的分光且分光能力不同的色散部件M_i，i＝1，2，…N，N≥2；所述第一分光单元和第二分光单元的色散方向相互垂直；