太陽光譜輻照度儀光機系統(tǒng)設計

黃雄豪,王洋,李新,張艷娜,劉恩超,張權,鄭小兵*

(1中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所通用光學定標與表征重點實驗室,安徽 合肥 230031;2中國科學技術大學,安徽 合肥 230026)

0 引言

太陽是地球的主要能源,地球內(nèi)部的熱流對其能量的共享只占約0.03%,其余能量全靠太陽提供。然而太陽是個變化的星球,其在時間尺度上的變化從幾分鐘到幾十年不等[1]。目前研究太陽對地球的影響主要集中在太陽總輻照度(TSI)與光譜輻照度(SSI),并且太陽總輻照度和光譜輻照度是人類研究地球長期氣候演變、大氣和海洋變化的兩個關鍵參數(shù)[2]。研究太陽總輻照度的儀器比較多,但不能提供對應的光譜信息,而光譜輻照度對太陽和地球大氣物理學的研究都很重要[2-4]。早期研究太陽光譜輻照度的儀器大多集中在紫外波段,因為太陽在紫外波段輻照度變化大,并且研究紫外波段太陽光譜輻照度變化對研究地球平流層臭氧趨勢和中緯度平流層環(huán)流很重要[5,6]。然而對于更寬波段的太陽光譜輻照度研究很少。近年來,對于寬波段太陽輻照度的研究處于積極探索中。其中比較有代表性的星上儀器有歐空局2008年發(fā)射的新一代SOLAR上攜帶的SOLSPEC,其光譜范圍為165～3080 nm,選用的分光元件為光柵[7]。NASA于2017年發(fā)射的TSIS-1光譜范圍為200～2400 nm,采用棱鏡分光[8]。用于地面觀測太陽光譜輻照度的儀器有日本Prede公司研制的PGS-100等,該儀器波長觀測范圍為400～1100 nm,不能用于觀測1100～2500 nm近紅外波段太陽光譜輻照度。目前,在地面對380～2500 nm光譜范圍內(nèi)太陽光譜輻照度的研究比較少,故需研制此光譜范圍內(nèi)用于地面監(jiān)測太陽光譜輻照度變化的儀器,從而獲得高精度太陽光譜輻照度數(shù)據(jù)。

太陽光譜輻照度儀主光路主要用于獲得380～2500 nm的光譜輻照度,是儀器最核心的光路。本文重點介紹了太陽光譜輻照度儀主光路光學系統(tǒng)的設計,通過理論計算設計了色散元件F′ery棱鏡的關鍵結構參數(shù),并采用軟件優(yōu)化。主光路使用一個棱鏡即可覆蓋整個光譜范圍[9]。在棱鏡成像焦平面設計和采用兩個單元探測器探測兩個不同波長的太陽光譜輻照度,并通過旋轉棱鏡,獲得380～2500 nm整個光譜范圍內(nèi)的光譜輻照度。

1 光機設計

1.1 儀器總體設計

由于該儀器用于地面觀測太陽光譜輻照度,參考國內(nèi)外同款儀器以及使用要求,提出儀器的性能指標[10]。太陽在紫外波段變化比較劇烈,波長在400 nm以下時,光譜儀分辨率要求比較高(≤1 nm)。在可見和近紅外波段(400～2500 nm),較低的光譜分辨率是可以接受的,原因是太陽Fraunhofer譜線的密度比較低,并且在該波段對光譜進行平滑處理的要求不像在紫外線中那么重要。Harder等[11]證明,如果儀器具有足夠高的輻射準確性,則1～40 nm的光譜分辨率足以研究該光譜區(qū)域的太陽變化特性。根據(jù)儀器應用需求,其波長精度需要優(yōu)于0.5 nm,否則不足以研究太陽變化特性。

光譜類儀器常用的分光元件有光柵和棱鏡?？紤]光柵在380～2500 nm光譜范圍內(nèi)有高次重疊現(xiàn)象,光柵的效率相對于棱鏡而言要低,并且在該光譜范圍內(nèi)只要一塊棱鏡即可實現(xiàn)整個光譜的分光。故綜合比較,儀器采用色散與匯聚于一體的后表面鍍鋁膜的F′ery棱鏡,該棱鏡成像示意圖如圖1所示。該棱鏡結構由F′ery[12]于1911年提出。R是棱鏡前表面S1的半徑,A是前表面S1的圓心,假定以R為直徑,通過A點并與S1面相切構建一個羅蘭圓。B點為后表面S2的圓心,S2表面鍍反射膜,C點為物點,P、Q為S1上兩點。當A、B、C點都在圓上時,∠APC與∠AQC(i1)為物C在表面S1上兩條光線的入射角,兩個角度值相等。當物點C發(fā)出的光為單色光并且折射角i2光線的反向延長線通過后表面S2的圓心時,經(jīng)過S2面反射和S1面折射后成像在原物點C處。通過幾何關系可以得到

圖1 F′ery棱鏡成像原理圖Fig.1 Schematic diagram of the F′ery prism imaging

當物點C發(fā)出的光為復合光時,經(jīng)表面S1后折射復合光的角度范圍為i2～i2+di2,經(jīng)過S2表面反射后在到達S1面的光線的角度范圍為i2～i2-di2,故經(jīng)過S1面折射后光線角度范圍為i1～i1-di1。在C點投影到探測器面上的成像長度為

可得成像后的光譜長度為一恒定值。該棱鏡集色散與匯聚為一體,使得結構緊湊。但該結構主要缺點是在弧矢方向像散比較嚴重,用于小視場結構。

棱鏡材料選擇Suprasil300[13],實驗證明在特定溫度(大約20°C)范圍內(nèi),該材料波長λ和折射率nλ之間的關系可近似表示為

方便后期輻照度儀的光譜定標。

根據(jù)儀器設計指標,為保證儀器高精度輻射測量,儀器設計時具體考慮了三方面的內(nèi)容,分別為光譜輻射量的準確性、波長指示的準確性和室外太陽跟蹤的準確性。對應三方面的內(nèi)容分別設計了三條光路,其作用分別為棱鏡主光路測量光譜輻射量,參考光路采用“CCD+凹面反射鏡”用于波長標定,太陽跟蹤光路采用四象限探測器+光闌實現(xiàn)儀器在室外精密跟蹤太陽[14,15]。三條光路對應的總體原理示意圖如圖2所示。圖2中消雜散光闌筒用于消雜散光,保護窗采用與棱鏡材料相同的Suprasil 300材料,從而吸收波長小于160 nm的輻射,保護棱鏡[16]。棱鏡和凹面反射鏡共軸,采用同一個電機旋轉,從而精確測量380～2500 nm波段光譜輻照度。主光路電子快門有兩個作用,分別為當電子快門關閉時測量暗電流和在儀器不工作時關閉快門以保護儀器內(nèi)部元器件。其三維排布如圖3所示,凹面鏡參考光路平行排布在棱鏡主光路上方,兩條光路成像互不干涉。

圖2 太陽光譜輻照度儀總體原理圖Fig.2 Schematic diagram of the solar spectral irradiance monitor

圖3 光譜儀CAD模型圖Fig.3 CAD model of the solar spectral irradiance monitor

1.2 主光路設計

主光路主要用于光譜輻照度的測量。根據(jù)前面的設計指標,為使設計簡單并且具有高準確性,僅采用單一棱鏡完成儀器的主光路設計。根據(jù)前面所述的F′ery棱鏡成像原理,首先確定棱鏡和狹縫的具體參數(shù)。棱鏡初始結構選擇為Littrow結構,將圖1所示棱鏡以鍍鋁的表面S2為中心面對稱展開?？色@得展開后的棱鏡光路示意圖,如圖4所示。

圖4 光進入展開的棱鏡示意圖Fig.4 Schematic diagram of expanded prism that light passes through

由于太陽光譜輻照度儀光譜范圍為380～2500 nm,根據(jù)(3)式,其對應的折射率大致范圍為1.47～1.43。分析時取平均折射率1.45,并代入(3)式可得波長約為1000 nm,故在分析和設計時將1000 nm設置為主波長。為避免偏振對儀器光譜輻照度測量的影響,進入棱鏡的光的入射角選擇在布儒斯特角附近[17],并將主波長在棱鏡材料中的折射率代入

式中:n1為光在空氣中的折射率,n2為光在F′ery棱鏡中的折射率,可獲得入射角大約為55.4°。棱鏡在最小偏向角下具有優(yōu)越的性能。根據(jù)最小偏向角下光線的角度關系,可以得出棱鏡前后表面夾角α約為69.2°。F′ery棱鏡后表面鍍膜,光線在后表面折反,所以主光路F′ery棱鏡前后表面夾角為34.6°左右。

根據(jù)棱鏡光譜儀的半高寬,可大致確定圖1所示棱鏡前后表面半徑以及棱鏡焦距。由圖3可知,棱鏡光譜儀的理論光譜半高全寬可表示為

式中:RFWHM為半高全寬,W為狹縫寬度,Rd為色散倒數(shù),n為折射率,f為棱鏡焦距,γ1為光線出射角。將實際參數(shù)代入并化簡可得棱鏡帶寬

對于固定狹縫寬度,由理論計算可以得出在1275 nm左右?guī)捰袠O大值。根據(jù)光學設計指標帶寬最大值≤40 nm,將帶寬40 nm和波長為1275 nm處的折射率代入(6)式,可獲得棱鏡焦距與狹縫寬度的關系為

代入已知數(shù)值,由此可以得出

綜合考慮目前的狹縫制造技術和尺寸測量精度,以及儀器的信噪比、光譜分辨率等因素,儀器狹縫尺寸選擇為寬0.3 mm、長7 mm。在滿足儀器帶寬的要求下,將狹縫寬度值代入(7)式從而得出棱鏡前表面與像面距離的初始值為426.4 mm,設計取450 mm。棱鏡前后表面截面尺寸通過考慮太陽光發(fā)散角和入射狹縫的衍射確定。經(jīng)過理論計算,棱鏡前表面截面尺寸大約為寬28 mm、高19 mm。

將F′ery棱鏡計算值輸入Zemax軟件中[18],根據(jù)像差條件獲得優(yōu)化后的F′ery棱鏡尺寸。優(yōu)化過程中,選擇1 μm作為主波長,優(yōu)化函數(shù)選擇Y方向的均方根半徑(RMS Spot Y),優(yōu)化變量選擇棱鏡前后表面半徑,獲得最佳情況下棱鏡前后表面半徑。因輻照度儀視場較小,畸變對該光學系統(tǒng)的影響很小,如圖5所示,約為0.5%,優(yōu)化時可不考慮畸變的影響。優(yōu)化后的主光路在Zemax中的排布圖、光學畸變圖和相應Y方向的點列圖結果如圖5所示。

由圖5可知,在380～2500 nm光譜范圍內(nèi),RMS Spot Y小于8 μm且大部分值在5 μm左右。主光路中重要光學參數(shù)如表1所示。

圖5 (a)在Zemax中模擬的主光路示意圖;(b)主光路光學系統(tǒng)的畸變;(c)Y方向點列圖尺寸Fig.5(a)Simulated diagram of the main light path in Zemax;(b)Distortion of the optical system;(c)Size of Y-direction spots

表1 儀器主光路光學特性參數(shù)Table 1 Optical characteristic parameters of main light path for the instrument

對于主光路,最核心的元件為F′ery棱鏡,棱鏡在加工過程中存在公差,從而對成像造成影響。根據(jù)硬件設計的公差即棱鏡前后表面半徑公差為0.2 mm,棱鏡前后表面夾角公差為30′′,采用Zemax模擬其對Y像斑點列圖帶來的影響。如圖6所示,分析波長設置為1 μm,上述公差給Y像斑點列圖帶來的偏差為0.3 μm,相對300 μm狹縫寬度而言比較小。

圖6 主光路的公差分析結果Fig.6 Tolerance results for the main light path

根據(jù)Zemax模擬結果,380～2500 nm光譜范圍內(nèi)的太陽光經(jīng)棱鏡色散后,在焦平面上長度為34 mm。由于設計的光譜范圍比較寬(380～2500 nm),很難采用一個探測器覆蓋此寬光譜,故在主光路焦平面分別采用Si和InGaAs兩種類型的探測器采集光譜輻照度。由于光譜色散長度以及波長精度的要求,采用單元探測器而未選用線陣探測器。因為單元探測器為單個像元,每個探測器的有效光敏面直徑為5 mm左右,主光路每次探測時,每個探測器只能獲得一個波長情況下的光譜輻照度,故需要精密電機帶動棱鏡旋轉,從而獲得整個光譜范圍內(nèi)的光譜輻照度。

2 儀器光譜范圍與光譜分辨率實驗測試

2.1 儀器光譜范圍測試

為驗證儀器能否在380～2500 nm光譜范圍內(nèi)具有響應信號,將完成后的儀器放于光學平臺上測試標準燈,其實驗裝置如圖7所示。將標準燈放置在儀器主光路入射狹縫正前方,距離入射狹縫大約2000 mm,該距離為將標準燈光線模擬為太陽光線而具有0.5°發(fā)散角時所計算的值。將消雜光光闌放置在儀器與標準燈之間進行部分消雜光。

圖7 儀器光譜響應范圍測試裝置Fig.7 The experimental apparatus for detecting spectral response range of the spectrometer

標準燈穩(wěn)定約20 min后運行儀器,獲得在參考光路不同像元情況下主光路探測器的電壓值。主光路探測器電壓值減去自身存在的噪聲即為響應電壓值,參考光路的像元序號經(jīng)過光譜定標后對應不同的波長值。通過不同波長下主光路探測器的響應電壓值判斷儀器的光譜響應范圍,實驗結果如圖8所示,由圖可知儀器的光譜響應范圍滿足380～2500 nm的要求。

圖8 儀器的光譜響應結果Fig.8 Results of the spectral response for the spectrometer

2.2 儀器分辨率測試

為驗證理論計算獲得的整個光譜范圍內(nèi)光譜帶寬的準確性,在實驗室內(nèi)搭建光學系統(tǒng)。在可見與紅外波段分別取三個波段進行測試,由于紅外波段肉眼不可見,故兩個光學系統(tǒng)裝置有所區(qū)別,實物及示意圖如圖9所示。

由圖9可見,可見波段檢測裝置包含單波長激光器、激光功率穩(wěn)定器、分束器、波長計、擴束鏡。激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過功率穩(wěn)定器后穩(wěn)定功率,采用波長計實時監(jiān)測波長變化。由于激光光斑比較小,采用擴束鏡擴束后,使得光斑均勻且覆蓋儀器入射狹縫區(qū)域。紅外波段光譜帶寬檢測裝置與可見波段檢測裝置主要區(qū)別在于采用積分球來進行勻光與擴束,并且增加一條可見光路,采用632.8 nm激光器移入光路以檢測OPO激光器發(fā)出的激光經(jīng)過小積分球后是否對準儀器。實驗分別在可見與紅外選擇3個波長進行檢測,并采用(6)式進行理論計算。實驗結果與理論計算結果如圖10所示,圖中橫坐標是經(jīng)過光譜定標后將像元轉化為波長后的結果,實驗結果進行峰值歸一化處理。分辨率(半高全寬)[17]的具體數(shù)值如表2所示。從實驗結果可知,兩種方式獲得的結果比較接近。兩者出現(xiàn)偏差的原因有實際光路存在像差、光學元件在加工時存在公差且裝調存在一定偏差等。通過理論與實驗驗證可知儀器的半高寬比較合理,儀器在光譜帶寬方面滿足設計要求。

表2 儀器半高寬的實驗與理論計算結果Table 2 Results of FWHM from the dispersion model and the experiment

圖9 (a)可見波段測試示意圖;(b)可見波段測試裝置;(c)紅外波段測試示意圖;(d)紅外波段測試裝置Fig.9(a)Schematic diagram of visible bands;(b)Test equipment chart of visible bands;(c)Schematic diagram of infrared bands;(d)Test equipment chart of infrared bands

圖10 (a)理論計算輻照度儀半高全寬;(b)輻照度儀半高全寬實驗結果Fig.10(a)Theoretical calculation of the full width at half maximum(FWHM)for the spectrometer;(b)Experimental results of the full width at half maximum

3 結論

詳細介紹了太陽光譜輻照度儀(380～2500 nm)的主光路設計。主光路核心色散元件F′ery棱鏡的最終參數(shù)采用Zemax軟件進行優(yōu)化,通過點列圖判斷棱鏡在該結構下處于較佳狀態(tài)。在儀器主光路焦平面上通過兩個單元探測器并結合棱鏡旋轉掃描的方式進行整個光譜范圍內(nèi)光譜輻照度探測,并采用實驗室檢測的方式驗證光譜響應范圍和儀器的分辨率,驗證結果符合設計要求,從而說明儀器的主光路設計在光譜響應范圍和分辨率方面的合理性。