紫外可見近紅外雙光源共光軸設(shè)計

宋平　聶建華　江升

摘 要：為了實現(xiàn)200～1 100 nm寬光譜光源輸出，避免光學(xué)器件移動產(chǎn)生的測量誤差，簡要介紹了一種基于背透式氘燈、鹵鎢燈的雙光源共光軸設(shè)計，利用氘燈中心的小孔將氘燈、鹵鎢燈耦合在同一水平光軸上。在不移動光學(xué)器件的情況下，實現(xiàn)了紫外、可見、近紅外光的共光軸輸出，從而保證光路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得調(diào)試工作更加方便。

關(guān)鍵詞：背透式氘燈；鹵鎢燈；雙光源共光軸；寬光譜

中圖分類號：TH744.12 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.015

氘燈和鹵鎢燈是光譜分析的常用光源，氘燈發(fā)出的光束能量主要集中在波長200～400 nm之間，鹵鎢燈光束能量主要集中在波長400～1 100 nm之間，氘燈與鹵鎢燈的組合光源也被廣泛應(yīng)用于紫外-可見分光光度計中。其光路結(jié)構(gòu)通常是利用步進電機控制氘燈、鹵鎢燈的移動，或者利用光源反射鏡或平面鏡切換光源。當(dāng)氘燈和鹵鎢燈發(fā)出的光無法同時進入測試光路中時，光源切換會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，使得調(diào)試過程煩瑣，從而增加了光源切換系統(tǒng)的測量誤差。本文提出一種基于背透式氘燈、鹵鎢燈的雙光源共光軸設(shè)計，在不移動光學(xué)器件的前提下實現(xiàn)紫外可見近紅外寬譜光源的輸出。

1 光路組成

紫外可見近紅外寬譜光源的光學(xué)系統(tǒng)主要是由球面反射鏡、背透式氘燈、雙膠合透鏡和鹵鎢燈等組成的，如圖1所示。其中，背透式氘燈中心具有透光小孔，其背后的光在一定角度內(nèi)可以完全透過氘燈而不被氘燈阻擋。鹵鎢燈位于球面反射鏡的焦點處，此焦點也是雙膠合透鏡的物方焦點，背透式氘燈中心有直徑為2 mm的透射孔，氘燈發(fā)出的光能量大部分集中在以中間透射孔為中心、發(fā)散角為20°的范圍內(nèi)。將背透式氘燈置于雙膠合透鏡的像方焦點處，鹵鎢燈光束經(jīng)過雙膠合透鏡會聚在氘燈透射孔處，與氘燈光束共同由雙膠合透鏡會聚、輸出并耦合進光纖。

圖1 雙光源共光軸系統(tǒng)圖

采用ZEMAX實現(xiàn)對光路的仿真，鹵鎢燈發(fā)光面積很小，是0.26 mm高的光源。將光闌面設(shè)置在球面反射鏡面，光闌直徑為5 mm，采用透鏡模擬氘燈透光孔，其直徑為2 mm，長度為5 mm。

采用354 nm、588 nm、656 nm和850 nm4個波長的光模擬光路，加入-0.25和0.25兩個離軸點進行觀察，由此得到了其點列圖和光斑能量分布圖，如圖2所示。

2 結(jié)論

從光線點列圖中可以看出，其出射最大視場處幾何光斑（GEO）的半徑小于40 μm；從光斑能量分布圖中可以看出，90%的光能集中在30 μm以內(nèi)。因此，本文提出的基于背透式氘燈的雙光源共光軸裝置是將氘燈、鹵鎢燈耦合在同一條水平

光軸上，整個光路長176 mm，體積比較小，便于集成到測試儀器中，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無需移動光學(xué)器件就可以實現(xiàn)紫外、可見、近紅外光的寬光譜范圍輸出，這在紫外近紅外光譜分析技術(shù)中具有重要的實用價值。

（a）光線點列圖

（b）光斑幾何能量分布圖

圖2 光線點列圖和光斑幾何能量分布圖

參考文獻

[1]楊照金，范紀(jì)紅，王雷.現(xiàn)代光學(xué)計量與測試[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2]謝華鋒，徐小力，王小川.分光光度計系統(tǒng)集成化設(shè)計及研究[J].計算機測量與控制，2006，14（1）：134-135.

[3]郁道銀，談恒英.工程光學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：白潔〕