用于空間的三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

三反射鏡系統(tǒng)的反射可在當(dāng)三塊反射鏡的主截面彼此重合或者不重合時(shí)發(fā)生，從而得到一空間光路。此外，在雙反射系統(tǒng)中增加一主截面與前兩塊反射鏡主截面重合的第三塊反射鏡，也可在前兩塊反射鏡主截面重合的第三塊反射鏡出現(xiàn)時(shí)，在前兩塊反射鏡反射的光線不變偏向角上加上由第三塊反射鏡產(chǎn)生的可變的偏向角，同時(shí)在由前兩塊反射鏡的非鏡象上加上第三次反射的鏡象。這些原理也可以推廣到主截面位在同一平面內(nèi)的任何數(shù)目的反射鏡，由奇數(shù)反射鏡組成的系統(tǒng)總是與一塊平面反射鏡等效；同樣，由偶數(shù)反射鏡組成的系統(tǒng)與雙反射鏡系統(tǒng)等效。

1三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的原理

事實(shí)上，主截面在同一平面內(nèi)的三反射鏡系統(tǒng)沒有任何新的光學(xué)性質(zhì)，但是，主截面彼此不重合的三塊反射鏡的另一種情形卻具有特殊的意義。其實(shí)，將主截面位在互相垂直的平面內(nèi)的雙反射鏡系統(tǒng)和產(chǎn)生反向光束的反射鏡結(jié)合起來,當(dāng)最后一種介質(zhì)與前一種介質(zhì)的折射系數(shù)異號時(shí)，就可得到在

收稿日期:2013-01-05兩個(gè)平面內(nèi)的線放大率都等于-1的系統(tǒng)，因而立即得到兩個(gè)角放大率都等于+1。這樣一來，即可得到：

Vt=V,=—1;Wt=W,=1

2三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)

三反射鏡系統(tǒng)的第三鏡還可以放在前兩鏡合成焦點(diǎn)之后，即?2取負(fù)值而爲(wèi)取正值，往往是希望得到長焦距。我國的2.16m天文望遠(yuǎn)鏡從R-C系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到折軸系統(tǒng)，不是更換副鏡，而是在R-C系統(tǒng)焦點(diǎn)之后加入第三鏡成為三鏡系統(tǒng)，只稍稍改變副鏡位置，即改變?1，使折軸系統(tǒng)$1=0及Sh=0。這時(shí)，R1,e2,ei都已定，且*有一定要求，為折軸焦距與主鏡焦距之比,真正的自由變量只有aa及el。其中,%只能在一個(gè)小范圍內(nèi)變化，折軸焦點(diǎn)的視場很小，滿足$1=0及$h=0就夠了，主鏡及副鏡的面形參數(shù)分別為e2=1.0951347及e2=5.077526，折軸系統(tǒng)輪廓參數(shù)為%=0.296574074,a2=—0.564073696,為=—2.967187012,爲(wèi)=5.055332748,計(jì)算機(jī)優(yōu)化算出e2=—0.2585。算出的e2=—0.26156。由于將開放式諧振腔的反射鏡做成了凹形曲線的回轉(zhuǎn)表面，旋轉(zhuǎn)軸穿過曲線的弦，就既能保證電子流與開放式諧振腔的場進(jìn)行相互作用的最佳條件，又能極大部分的

繞射輻射場都落入開放式諧振腔中，開放式諧振腔的反射鏡1和2之間應(yīng)該包含有奇數(shù)個(gè)輻射波的半波長，以便在繞射光柵的中部能出現(xiàn)場的最大值[%

計(jì)算表明，反射鏡間距離的量值應(yīng)取7~9個(gè)輻射波的半波長數(shù)，反射鏡1和2的曲率半徑以及它們間的距離都是基于共焦參量近似為1的條件下選取的，而(沿徑向的)反射鏡的長度則應(yīng)該選擇得使開放式諧振腔的工作空間里能安置下焦散。在一個(gè)器件中它將電子束的兩種相位聚焦結(jié)合在一起,這就是電子束在開放式諧振腔表面波場中的群聚和電子在反射器拒斥場中的相位聚焦，使得振蕩器的起振電流有所降低,并出現(xiàn)功率絕對值和效率同時(shí)增加的無功耗調(diào)諧振蕩區(qū)。由于在這類器件中所出現(xiàn)的電子現(xiàn)象的復(fù)雜性，就要求建立一種能完全與之相適應(yīng)的理論，以便詳細(xì)研究它們的物理過程,并在進(jìn)一步改善器件時(shí)能夠提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh。對于這類器件,因?yàn)榻⒎蔷€性理論具有很大困難，所以現(xiàn)時(shí)我們僅限于建立一種線性理論，此理論已能給出和弄清互作用初始階段的基本規(guī)律和互作用過程的奧秘，以及求解非線性問題的可能途徑叫3用于空間的三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

求解離軸三反射鏡系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)和同軸三反系統(tǒng)一樣,可以利用已導(dǎo)出的公式，只是在優(yōu)化計(jì)算時(shí)，取同軸系統(tǒng)的離軸部分。為了避開副鏡擋光，線視場的中心不在光軸上，即子午面內(nèi)有一個(gè)人射角。圖1所示是對長焦距系統(tǒng)和大相對口徑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖。圖中三個(gè)鏡面的曲率半徑R都是負(fù)的，a1,?2,b都是正值。在圖1(b)中,?1為正,a為負(fù),崗為負(fù),A為正,d1都是負(fù)值,％都是正值，廠都是負(fù)值。對于圖1(a),即一次成像的情況，f應(yīng)取負(fù)值；對于圖1(b)的情況，f應(yīng)取正值。

紅外分光光度計(jì)都采用鍍鋁反射鏡。這是因?yàn)殄冧X反射鏡反射率高，反射損失小，價(jià)格便宜并且凹面反射鏡還可以消除透鏡所產(chǎn)生的彩色像差，使譜帶變銳以及避免透鏡在紅外區(qū)吸濕性大的缺點(diǎn)，所以現(xiàn)代的紅外分光光度計(jì)均采用反射鏡而不用透鏡。為了保護(hù)鍍鋁反射膜，有時(shí)再在其上真空噴鍍幾微米厚的氧化膜。反射鏡面必須嚴(yán)格防塵、防蝕，特別要防止機(jī)械擦傷。如遇有塵埃等污染，可采用凈化干燥的氮?dú)庥枰郧宄＊M縫是放在分光系統(tǒng)的入口和出口，其開啟間隔(狹縫寬度)直接影響分辨率。狹縫大，光的能量增加，但分辨率下降。這是由于出口狹縫出來的光并非是某一種單一波長的光，而還混有鄰近波長成分的光。亦即由出口狹縫出來的光并非絕對純的單色光，而是具有一定波長范圍的相對純的單色光。單色光的純度不僅與出口狹縫寬度有關(guān)，而且還與入口狹縫寬度有關(guān)。當(dāng)入口狹縫寬度與出口狹縫寬度相等時(shí)，透過光只有1/4是屬于不純光波。當(dāng)入口狹縫寬度小于出口狹縫寬度時(shí)，透過光雖然較純，但光強(qiáng)大為降低。當(dāng)入口狹縫寬度大于出口狹縫寬度時(shí)，透過光強(qiáng)雖有增加，但不純光波亦增加?；谝@得較純的單色光和具有一定光強(qiáng)，因而在紅外分光光度汁上選擇入口狹縫寬度和出口狹縫寬度相等并隨波長改變，而光狹縫亦作相應(yīng)的變寬或變窄(由輻射源的強(qiáng)度分布所決定尸。其次，由于光斜射入棱鏡，在出口狹縫上所獲得的像發(fā)生彎曲。為了校正這一情況，一般將入口狹縫做成弧形,而出口狹縫做成直線形。為了保證狹縫呈線性接觸，狹縫口都把一邊磨成刀刃形式，并且被磨的一邊背著光的前進(jìn)方向，以避免由于刀刃口斜面產(chǎn)生的干涉反射。狹縫也必須當(dāng)做光學(xué)部件處理，并要防止灰塵落于刀刃上，安裝和使用中嚴(yán)防狹縫兩刀刃相碰或損傷。

4結(jié)語

在獲得高色散時(shí),一方面，會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)吸收的極大的缺點(diǎn),使其測定波長和分辨都受到了限制；另一方面，要保證獲得材質(zhì)均勻、化學(xué)穩(wěn)定性好，又易于機(jī)械加工的大塊單晶也較困難。如測定較寬波段的紅外光譜，往往需要將幾個(gè)棱鏡組合起來,這就提高了儀器的價(jià)格。而采用光柵作色散元件，既可提高分辨率，又可擴(kuò)大測定波長范圍。但由于早期的反射式子面光柵的主要光強(qiáng)分布在沒有色散的零級極大處，而對可利用的一級、二級光譜，能量分布甚少，用這樣的光柵分光，所得光譜能量甚弱。為了使衍射光的能量集中到所需的一級上去，可改進(jìn)光柵刻槽的形狀，制成閃耀光柵。而對衍射光的多級次光譜的分離，則可采用濾光片或和前置棱鏡結(jié)合起來消除相互干擾。目前,光柵紅外分光光度計(jì)都采用復(fù)制閃耀光柵來作色散元件。

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