[发明专利]一种两片式线性色散组合棱镜分光器件的设计方法

摘要

本发明公开了一种两片式线性色散组合棱镜分光器件的设计方法，它由两块特殊选材，形状参数特殊设计的棱镜组合而成，特别适用于光谱分析、光谱检测及其相关领域。该发明基于控制变量法和线性规划理论，依据第一块棱镜材料的色散特性，通过控制光线的传播方向、棱镜的形状，利用第二块棱镜的非线性色散对第一块棱镜的非线性色散进行补偿，得到线性色散组合棱镜分光器件。该组合棱镜克服了单个棱镜色散非线性的缺陷，具有自由光谱范围宽、光能利用率高、通用性好、结构简单、价格低廉等优点。

主权项

1.一种两片式线性色散组合棱镜分光器件的设计方法，其特征在于包括以下步骤：第一步选材：定义绝对非线性系数P、Q如(1)式所示：P＝|(S₁‑S₂)/S₂|,Q＝|(T₁‑T₂)/T₂|                                       (1)其中S₁、T₁为第一个棱镜的非线性色散系数，S₂、T₂为第二个棱镜的非线性色散系数；若要在可见近红外波段λ<1μm实现线性色散，则要求两种材料的绝对非线性系数满足P<0.03；若要在近红外、中波红外波段λ≈1μm实现线性色散，则要求两种材料的绝对非线性系数满足P<0.01,Q<0.01；若要在中波红外、长波红外波段λ>1μm实现线性色散，则要求两种材料的绝对非线性系数满足Q<0.03；第二步，色散性能评价指标的建立：色散性能评价指标有两个，其一是角色散率，其二是角色散率非线性度；第三步，组合棱镜的角色散率计算：针对两片式组合棱镜不同的构型，分别计算其角色散率函数；左右并排透射型组合棱镜构型中，其角色散率函数R(λ)表达式如(2)式所示：其中n₁、n₂分别表示材料1、材料2的折射率，λ表示波长，i₁表示光线进入组合棱镜时的入射角，i′₃表示光线经过组合棱镜时的出射角，α₁表示左棱镜的顶角，α₂表示右棱镜的顶角；第四步，组合棱镜形状参数的计算：当两片棱镜的材料确定之后，对于特定的棱镜组合，接下来需要确定的是棱镜的形状和光线的入射角；这些参数可以运用线性规划理论求解，求解过程中添加的约束条件分别为棱镜的形状约束，光线的初始入射角约束，以及组合棱镜的角色散率非线性度约束，左右并排透射型组合棱镜构型中，通过求解(3)式可获得组合棱镜的形状参数；其中α₁、β₁、γ₁表示左棱镜的顶角和底角，α₂、β₂、γ₂表示右棱镜的顶角和底角，i₁表示光线的入射角，NL表示组合棱镜的角色散率曲线的非线性度；第五步，组合棱镜构型的确定：两种材料选定时，会有下面两种情况出现：对于同一构型的组合棱镜，会得到多组满足线性色散条件约束的形状参数解；对于不同构型的组合棱镜，均存在满足线性色散条件约束的形状参数解；此时从所有满足线性色散条件约束的形状参数解中，选择使角色散率取最大值的形状参数解；由此获得色散能力较好的线性色散组合棱镜；第六步，根据工程需要，将三角棱镜“剪裁”成合适的形状，其剪裁形状是三角棱镜，或者是切去顶角而形成的梯形棱镜，或者是切去顶角和一个底角而形成的五边形棱镜，或者是切去顶角、两个底角而形成的六边形棱镜。