本發(fā)明屬于光譜儀器和干涉儀器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種非對稱空間外差光譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

中高層大氣對人類的生活環(huán)境和氣候變化具有非常重要的影響。為了應(yīng)對全球氣候變暖和南極洲上空的臭氧空洞給人類帶來了一系列環(huán)境問題，需要對中高層大氣行為進(jìn)行探測和研究。同時(shí)，為了保障航空航天等重要發(fā)射任務(wù)的順利進(jìn)行，更需要對中高層大氣的氣象條件進(jìn)行精確的監(jiān)測。因此，準(zhǔn)確高效的獲取中高層大氣的變化規(guī)律具有十分重要的意義。

大氣風(fēng)場是了解大氣變化規(guī)律的最重要參數(shù)之一，通過對大氣風(fēng)場的探測可獲取風(fēng)速和大氣溫度等重要信息。目前，探測中高層大氣風(fēng)場的設(shè)備主要有以激光雷達(dá)為代表的主動式探測儀器和以干涉儀為核心部件的被動式探測儀器。由于被動式探測方式無需激光發(fā)射裝置，而直接以大氣中自然存在的氣輝和極光作為目標(biāo)源，因此結(jié)構(gòu)相對簡單，更適合于天基設(shè)備。

目前，被動式風(fēng)場探測大多是以邁克耳遜干涉儀為基礎(chǔ)模型，利用動鏡掃描和“四步探測法”依次探測相鄰相位差為π/2的干涉強(qiáng)度值，獲取干涉條紋的相位和調(diào)制度，再通過計(jì)算反演出風(fēng)場的速度和溫度等信息。例如，風(fēng)成像干涉儀(WINDII)，E層風(fēng)干涉儀(E-region wind interferometer)以及同溫層風(fēng)干涉儀(Stratospheric wind interferometer)均采用了類似的結(jié)構(gòu)。然而，這類干涉儀的主要不足在于需要構(gòu)建一套高精度的動鏡驅(qū)動系統(tǒng)，這將增加儀器的體積和造價(jià)，限制了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管后來發(fā)展有“四分區(qū)鍍膜法”和“偏振干涉法”等技術(shù)取代動鏡步進(jìn)，但由于這兩種方法均只能針對單一波長進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此應(yīng)用范圍大打折扣。

近年來，國外發(fā)展的一種非對稱空間外差光譜(DASH)技術(shù)綜合了無動鏡剪切干涉儀技術(shù)及傅里葉變換光譜儀技術(shù)，同時(shí)具備高靈敏度相位傳感和高分辨率光譜探測等功能，可實(shí)現(xiàn)對中高層大氣進(jìn)行多譜線、高精度的探測。由于系統(tǒng)中不含動鏡掃描模塊，因此該系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，國外研究人員采用了koster棱鏡結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行集成，但經(jīng)棱鏡分束后的兩束光分別只利用了一半光柵，因此并未充分發(fā)揮光柵的色散能力，降低了系統(tǒng)的光譜分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對koster棱鏡集成的非對稱空間外差光譜技術(shù)中光柵未充分利用等問題，提出一種新型的非對稱空間外差光譜儀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的核心部件為一塊由直角梯形棱鏡和等腰三角形棱鏡集成的干涉模塊，通過該模塊可實(shí)現(xiàn)光柵線對的充分利用。同時(shí)，還具有結(jié)構(gòu)簡單、容易裝調(diào)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種非對稱空間外差光譜儀結(jié)構(gòu)，包括：

－入射光闌，用于導(dǎo)入信號光；

－準(zhǔn)直物鏡，用于對導(dǎo)入信號光準(zhǔn)直；

－閃耀光柵，用于對準(zhǔn)直后的信號光色散；

－干涉模塊，由一塊直角梯形棱鏡和一塊等腰直角三棱鏡組成，用于使色散后的信號光實(shí)現(xiàn)非對稱空間外差干涉，形成干涉條紋；

－成像鏡頭，用于對干涉條紋進(jìn)行縮小或放大成像；

－陣列式探測器，用于對縮小或放大成像后的干涉條紋進(jìn)行探測。

進(jìn)一步的，所述直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面為一個(gè)正方形，且邊長不小于入射光斑直徑；斜角側(cè)面與下底面的夾角為45°。

進(jìn)一步的，所述直角梯形棱鏡主截面的直角腰邊長與上底邊長相等。

進(jìn)一步的，所述直角梯形棱鏡的直角側(cè)面與上底面形成一個(gè)普羅棱鏡，當(dāng)光束入射至所述直角梯形棱鏡的直角側(cè)面與上底面時(shí)將發(fā)生全反射，并使全反射光沿原入射光的方向返回。

進(jìn)一步的，斜角側(cè)面沉積有增透膜，作為干涉模塊的入射面；下底面沉積有半反半透膜，作為干涉模塊的分束界面。

進(jìn)一步的，所述等腰直角三棱鏡的側(cè)面為一個(gè)正方形，且邊長與直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面邊長相等；等腰直角三棱鏡的主截面的底邊長度與直角梯形棱鏡主截面的底邊長度相等。

進(jìn)一步的，所述等腰直角三棱鏡的一個(gè)側(cè)面沉積有高反膜，用作一個(gè)平面反射鏡；另一個(gè)側(cè)面沉積有增透膜，作為干涉模塊的出射面。

進(jìn)一步的，所述等腰直角三棱鏡的底面與直角梯形棱鏡的底面相互對準(zhǔn)膠合，且膠合后等腰直角三棱鏡中沉積有高反膜的側(cè)面與直角梯形斜角側(cè)面平行。

進(jìn)一步的，經(jīng)所述準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后的信號光應(yīng)該垂直入射至閃耀光柵；當(dāng)信號光波長為閃耀波長時(shí)，經(jīng)閃耀光柵后的衍射光應(yīng)該垂直于直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面進(jìn)入干涉模塊，且衍射光的光軸應(yīng)該通過直角梯形棱鏡斜角側(cè)面的幾何中心。

進(jìn)一步的，進(jìn)入所述干涉模塊后的衍射光被分為兩束，分別由平面反射鏡和普羅棱鏡進(jìn)行反射。當(dāng)入射光波長偏移閃耀波長時(shí)，從干涉模塊出射的兩光束將沿相反的方向小角度偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)兩光束的空間干涉。在所述干涉模塊中分束后的兩束光光程差等于直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面邊長。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、與常見的測風(fēng)儀器邁克爾遜干涉儀相比，本發(fā)明所述的非對稱空間外差光譜儀結(jié)構(gòu)無需動態(tài)掃描部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多譜線的同時(shí)探測，目標(biāo)源的適用范圍更廣，多普勒頻移的測量精度更高。

2、與傳統(tǒng)的非對稱空間外差光譜儀相比，本發(fā)明對干涉模塊進(jìn)行了集成，且僅用一塊閃耀光柵，簡化了結(jié)構(gòu)，方便了裝調(diào)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3、在koster棱鏡集成的非對稱空間外差光譜儀中，信號光分成兩束光之后再經(jīng)過同一光柵的不同區(qū)域進(jìn)行衍射，因此光柵的有效線對數(shù)利用較少，而本發(fā)明中，信號光先經(jīng)光柵衍射后再由干涉模塊分束干涉，因此，整個(gè)光柵的線對數(shù)均被有效利用，從而使系統(tǒng)獲得更高的光譜分辨率。

4、從光柵的工作方式來看，本發(fā)明中的信號光垂直入射光柵，入射光與出射光的夾角為閃耀角的2倍，這導(dǎo)致光柵平面與光束波前的傾角也為閃耀角的2倍，因此由光柵傾角引入的兩光路采樣光程差為2Wsin(2θ)，約為傳統(tǒng)非對稱空間外差光譜儀采樣光程差2Wsinθ的兩倍，因而可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的光譜分辨率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中一種非對稱空間外差光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖及當(dāng)入射光波長為閃耀波長時(shí)通過非對稱空間外差光譜儀結(jié)構(gòu)的光路圖；

圖中：100為入射光闌；200為準(zhǔn)直物鏡；300為閃耀光柵；400為干涉模塊；500為成像鏡頭；600為陣列式探測器。410為組成干涉模塊的直角梯形棱鏡；420為組成干涉模塊的等腰直角三棱鏡；401為直角梯形棱鏡斜角側(cè)面沉積的增透膜；402為直角梯形棱鏡上底面，403為直角梯形棱鏡直角側(cè)面，402和403組成一個(gè)普羅棱鏡；404為直角梯形棱鏡下底面沉積的半反半透膜；405為等腰直角三棱鏡側(cè)面沉積的半反半透膜；406為等腰直角三棱鏡另一側(cè)面沉積的增透膜。701和702分別為入射光波長為閃耀波長時(shí)經(jīng)半反半透膜405分光后的兩光束。

圖2是當(dāng)入射光波長偏離閃耀波長時(shí)通過非對稱空間外差光譜儀結(jié)構(gòu)的光路圖；

圖中：801和802分別為入射光波長偏離閃耀波長時(shí)經(jīng)半反半透膜405分光后的兩光束。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實(shí)施例對領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。

實(shí)施例1：

本發(fā)明的實(shí)施例1，是一個(gè)光譜分辨本領(lǐng)大于40000，自由光譜范圍大于7nm，閃耀波長為632.8nm，分束后兩光路的光程差為20mm的非對稱空間外差光譜儀。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例1所述非對稱空間外差光譜儀，包括：入射光闌100，準(zhǔn)直物鏡200，閃耀光柵300，干涉模塊400，成像鏡頭500，陣列型探測器600。其中，入射光闌100的口徑為200μm，數(shù)值孔徑為0.22，準(zhǔn)直物鏡焦距為40mm，閃耀光柵的閃耀波長為632.8nm，光柵刻線密度為600L/mm，閃耀角為10.94°，光柵尺寸為20mm×20mm，有效口徑約為0.22×2×40mm＝17.6mm；干涉模塊中直角梯形棱鏡斜角側(cè)面及等腰直角三棱鏡側(cè)面邊長均為20mm，使分束后的兩束光的光程差為2×10mm＝20mm；成像鏡頭的成像比例為1：1，探測器像素為1024×1024，像素尺寸為16μm。

首先對所述非對稱空間外差光譜儀進(jìn)行裝調(diào)。在裝調(diào)過程中，采用632.8nm的激光光源作為入射光源，經(jīng)準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后垂直入射至閃耀光柵。調(diào)節(jié)干涉模塊的位置和角度，使經(jīng)閃耀光柵衍射后的激光光束垂直于直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面進(jìn)入干涉模塊，且使光束的光軸通過直角梯形棱鏡斜角側(cè)面的幾何中心。進(jìn)入干涉模塊的激光光束被分光界面404分成兩束光，其中光束701經(jīng)反射面405反射后又經(jīng)分光界面404反射，垂直于出射面406射出干涉模塊；光束702分別經(jīng)反射面402和403反射又經(jīng)分光界面404透射后，也垂直于出射面406射出干涉模塊。此時(shí)兩光束形成的干涉場為一恒定強(qiáng)度值的平場，而無法形成空間干涉條紋，表明裝調(diào)完成。

當(dāng)其他波長的光經(jīng)閃耀光柵衍射后，將不再垂直于直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面進(jìn)入干涉模塊，而是與斜角側(cè)面法線方向呈小角度進(jìn)入干涉模塊，如圖2所示。例如當(dāng)入射光波長為630nm時(shí)，則與斜角側(cè)面法線方向的夾角為0.1°，衍射光經(jīng)分光界面404后將分成801和802兩束光，其中光束801經(jīng)反射面405反射后又經(jīng)分光界面404反射，與出射面406法線方向呈小角度射出干涉模塊；光束802分別經(jīng)反射面402和403反射后又經(jīng)分光界面404透射，與出射面406法線方向呈小角度沿相反的方向射出干涉模塊。由于兩光束互成一定的夾角出射，因此可獲得空間分布的干涉條紋，而且兩光束之間的夾角及干涉條紋的空間頻率與入射光的波長密切相關(guān)。通過成像物鏡500將干涉條紋成像于陣列型探測器600上，此時(shí)干涉條紋的周期為180μm，將探測的干涉條紋進(jìn)行傅里葉變換等處理后可獲得信號光的光譜成分信息和譜線相移信息。系統(tǒng)的光譜分辨本領(lǐng)可由公式4Wsin(2θ_L)/λ確定，其中W為光柵的有效口徑，θ_L為光柵的閃耀角，λ為入射光波長；系統(tǒng)的自由光譜范圍為N/2·λ²/4Wsin(2θ_L)，其中N為探測器的行像素?cái)?shù)；同時(shí)，系統(tǒng)探測到的譜線相移信息與目標(biāo)風(fēng)場的多普勒速度關(guān)系可由公式進(jìn)行反演，其中c為光速，為譜線相移，d為分束后兩光路的光程差。通過以上三式，可計(jì)算所得系統(tǒng)的光譜分辨本領(lǐng)為41600，自由光譜范圍為7.7nm，譜線相移信息與目標(biāo)風(fēng)場多普勒速度關(guān)系為:的單位為弧度。

實(shí)施例2

本發(fā)明的實(shí)施例2，是一個(gè)光譜分辨本領(lǐng)大于25000，自由光譜范圍大于25nm，閃耀波長為1.6μm，分束后兩光路的光程差為25.4mm的非對稱空間外差光譜儀。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例2所述非對稱空間外差光譜儀包括：入射光闌100，準(zhǔn)直物鏡200，閃耀光柵300，干涉模塊400，成像鏡頭500，陣列型探測器600。其中，入射光闌100的口徑為600μm，數(shù)值孔徑為0.39，準(zhǔn)直物鏡焦距為30mm，閃耀光柵的閃耀波長為1.6μm，光柵刻線密度為300L/mm，閃耀角為13.88°，光柵尺寸為25.4mm×25.4mm，有效口徑約為0.39×2×30mm＝23.4mm；干涉模塊中直角梯形棱鏡斜角側(cè)面及等腰直角三棱鏡側(cè)面邊長均為25.4mm，使分束后的兩束光的光程差為2×12.7mm＝25.4mm；成像鏡頭的成像比例為1：1，探測器像素為1024×1024，像素尺寸為12μm。

首先對所述非對稱空間外差光譜儀進(jìn)行裝調(diào)。在裝調(diào)過程中，采用1.6μm的激光光源作為入射光源，經(jīng)準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后垂直入射至閃耀光柵。調(diào)節(jié)干涉模塊的位置和角度，使經(jīng)閃耀光柵衍射后的激光光束垂直于直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面進(jìn)入干涉模塊，且使光束的光軸通過直角梯形棱鏡斜角側(cè)面的幾何中心。進(jìn)入干涉模塊的激光光束被分光界面404分成兩束光，其中光束701經(jīng)反射面405反射后又經(jīng)分光界面404反射，垂直于出射面406射出干涉模塊；光束702分別經(jīng)反射面402和403反射又經(jīng)分光界面404透射后，也垂直于出射面406射出干涉模塊。此時(shí)兩光束形成的干涉場為一恒定強(qiáng)度值的平場，而無法形成空間干涉條紋，表明裝調(diào)完成。

當(dāng)其他波長的光經(jīng)閃耀光柵衍射后，將不再垂直于直角梯形棱鏡的斜角側(cè)面進(jìn)入干涉模塊，而是與斜角側(cè)面法線方向呈小角度進(jìn)入干涉模塊，如圖2所示。例如當(dāng)入射光波長為1.58μm時(shí)，則與斜角側(cè)面法線方向的夾角為0.34°，衍射光經(jīng)分光界面404后將分成801和802兩束光，其中光束801經(jīng)反射面405反射后又經(jīng)分光界面404反射，與出射面406法線方向呈小角度射出干涉模塊；光束802分別經(jīng)反射面402和403反射后又經(jīng)分光界面404透射，與出射面406法線方向呈小角度沿相反的方向射出干涉模塊。由于兩光束互成一定的夾角出射，因此可獲得空間分布的干涉條紋，而且兩光束之間的夾角及干涉條紋的空間頻率與入射光的波長密切相關(guān)。通過成像物鏡500將干涉條紋成像于陣列型探測器600上，此探測器上的干涉條紋的周期為133μm，將探測的干涉條紋進(jìn)行傅里葉變換等處理后可獲得信號光的光譜成分信息和譜線頻移信息。系統(tǒng)的光譜分辨本領(lǐng)可由公式4Wsin(2θ_L)/λ確定，其中W為光柵的有效口徑，θ_L為光柵的閃耀角，λ為入射光波長；系統(tǒng)的自由光譜范圍為N/2·λ²/4Wsin(2θ_L)，其中N為探測器的行像素?cái)?shù)；同時(shí)，系統(tǒng)探測到的譜線相移信息與目標(biāo)風(fēng)場的多普勒速度關(guān)系可由公式進(jìn)行反演，其中c為光速，為譜線相移，d為分束后兩光路的光程差。通過以上三式，可計(jì)算所得系統(tǒng)的光譜分辨本領(lǐng)為27600，自由光譜范圍為29.3nm，譜線相移信息與目標(biāo)風(fēng)場多普勒速度關(guān)系為:的單位為弧度。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。