CN100538291C - 有序孔阵列透射式波长计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有序孔阵列透射式波长计及其测量方法。波长计为平行光源(1)的入射角与由透明衬底(2)和其孔阵列周期为200nm～20μm的有序孔阵列(3)构成的半透镜相垂直，半透镜或平面镜位于移动台上，平面镜为位于透明衬底(2)的附有有序孔阵列(3)的一侧的显示屏(5)，其与有序孔阵列(3)间的距离为20cm～1m；方法为设定测量的精度，即选择有序孔阵列与显示屏间的距离，根据显示屏上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列的孔阵列周期幅度的增减，测量显示屏上的衍射斑点或衍射环的半径，通过公式

确定波长。它能测量光谱范围从几十纳米到几十微米的入射光的波长，且精度适中，可广泛用于科学研究和工程技术领域中的实时和在线测量。

Description

有序孔阵列透射式波长计及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种波长计及测量方法，尤其是有序孔阵列透射式波长计及其测量方法。

背景技术

光的干涉现象在科学研究和工程技术上的应用很广，除了可以测定长度、长度的微小改变以及检验表面的磨光程度以外，还有很多其他方面的应用。如在光谱学中，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。作为实现其功能的波长计，迈克尔孙(Michelson)干涉仪是其中之一，如在中国高等教育出版社1982年12月第4版的《普通物理学》(1982年修订本)第3册第28～29页中所介绍的。其基本构造如图1所示，平行光源S的光路上依次置有与其呈45度角设置的两块材料相同、厚薄均匀且相等的平行玻璃片(G₁、G₂)，以及位置固定的平面反射镜M₁，其中玻璃片G₁的一个表面上镀有半透明的薄银层；玻璃片G₁未镀薄银层一面的光路上置有螺旋控制其移动的平面反射镜M₂、背面的光路为视场E；图中的虚线为设想镀银层所形成的M₁的虚像M₁′。测量时，待测平行光S射在玻璃片G₁上，折入G₁的光线，一部分在薄银层上反射，向M₂传播，如图1中所示的光线B，经M₂反射后，再穿过G₁向视场E处传播，如图1中所示的光线B′；另一部分穿过薄银层及G₂，向M₁传播，如图1中所示的光线A，经M₁反射后，再穿过G₂，经薄银层反射，也向视场E处传播，如图1中所示的光线A′；在视场E处可以看到干涉条纹，由公式λ＝2Δd/Δn可得出待测平行光S的波长，式中Δd为M₂的平移距离、Δd为视场E中明条纹移动的数目。这种波长计虽有着测量精度极高的优点，但却存在着不足之处，首先，结构复杂、部件多，各部件加工精度和相互间配合精度的要求极高，使得制造的成本极为高昂，无法实现大范围的普及应用；其次，对使用环境的要求较高，需于稳定的工作环境下方能可靠地进行测量，既不利于动态测量和实时检测，更不利于极端条件下的测量；再次，体积庞大，难以到现场进行实时的监测。而在现实中，许多应用领域并不需要极高测量精度的波长计，如矿井、海底和太空等作业中的波长测量。为此，人们试图对迈克尔孙式干涉仪进行改进，以降低制造和使用的成本。然而，无论是提高环境稳定性还是实现动态测量，都将进一步增大成本，而降低成本则将极大的降低测量的精度，甚至使其无法正常的工作。

发明内容本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、精度适中、成本低廉，使用方便的有序孔阵列透射式波长计及其测量方法。

有序孔阵列透射式波长计包括平行光源和其光路上的半透镜和平面镜，以及移动台，特别是(a)所说平行光源的入射角与所说半透镜相垂直；(b)所说半透镜或平面镜位于移动台上；(c)所说半透镜由透明衬底和有序孔阵列构成，所说有序孔阵列的孔阵列周期为200nm～20μm；(d)所说平面镜为显示屏，所说显示屏位于所说透明衬底的附有有序孔阵列的一侧，且与所说有序孔阵列间的距离为20cm～1m。

作为有序孔阵列透射式波长计的进一步改进，所述的有序孔阵列为二维多畴有序孔阵列，其层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列；所述的显示屏为漫反射屏幕或光敏传感器，所说漫反射屏幕或光敏传感器位于移动台上，且与有序孔阵列平行设置；所述的光敏传感器的输出端与控制器的输入端电连接；所述的移动台包含工作平台和与其动配合连接的导轨，以及连接工作平台与导轨的丝杠螺母付，所说丝杠螺母付中的螺母与工作平台固定连接，丝杠与导轨动配合连接；所述的移动台的丝杠轴与步进电机的转动轴连接；所述的步进电机的输入端与步进电机电源的输出端电连接；所述的步进电机电源的输入端与控制器的输出端电连接。

有序孔阵列透射式波长计的测量方法包括接收平行光和输出干涉光，特别是所说方法包含以下步骤：(a)设定测量的精度，即选择有序孔阵列与显示屏间的距离；(b)根据显示屏上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列的孔阵列周期幅度的增减，即对于显示屏上无衍射斑点或衍射环时，选择更大周期的有序孔阵列，对于显示屏上衍射斑点或衍射环太小，无法测量时，选择更小周期的有序孔阵列；(c)测量显示屏上的衍射斑点或衍射环的半径；(d)通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，式中，λ为入射光波长、2a为有序孔阵列中相邻两孔的间距、m为衍射斑点或衍射环的半径、1为有序孔阵列与显示屏间的距离。

作为有序孔阵列透射式波长计的测量方法的进一步改进，所述的根据公式δm＝Kδλ和 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}},$ 得出测量误差，变更测量的精度，则重新设定测量的精度。

相对于现有技术的有益效果是，其一，基于光透过有序孔阵列时的透射干涉原理，将平行光源的入射角与由透明衬底和有序孔阵列构成的半透镜相垂直，显示屏位于所说透明衬底的附有有序孔阵列的一侧，使入射的平行光源经有序孔阵列衍射后在显示屏上形成了衍射花样，既为波长的测量奠定了物质基础，实现了对入射光波长的测量，又具有结构简单、体积小、造价低、工作稳定可靠的特点，还对使用环境无任何特殊要求，使其极适于各种环境中的实时和在线测量，尤为能用于极端条件下的波长测量；其二，有序孔阵列的孔阵列周期选定为200nm～20μm，实现了对光谱范围从几十纳米到几十微米的入射光波长的测量，即可对从红外、可见到紫外光波段的入射光均能有效地进行测量；其三，将半透镜或平面镜置于移动台上，并使显示屏与有序孔阵列间的距离设定为20cm～1m，不仅便于波长的测量，还使整机精度的定位准确适中，通过调节显示屏与有序孔阵列间的距离可实现不同精度的波长测量，从而满足了不同应用领域对波长测量精度的要求；其四，测量方法的步骤简洁、针对性强，且原理科学客观并可行，测定的波长数据真实可靠，测量的精度可人为地根据需要自行设定，使用起来极为方便、快捷。

作为有益效果的进一步体现，一是有序孔阵列优选二维多畴有序孔阵列，其层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列，除可大大地降低有序孔阵列的制造成本之外，还使经其透射后衍射于显示屏上的衍射花样为易于测量的衍射环；二是显示屏为漫反射屏幕或光敏传感器，它被置于移动台上，且与有序孔阵列平行设置，使得显示屏与有序孔阵列间的距离易于调节，且显示屏上呈现的衍射花样不会发生形变，采用光敏传感器大大地提高了本发明波长计的自动化程度；三是移动台采用工作平台和与其动配合连接的导轨，以及连接工作平台与导轨的丝杠螺母付的结构，使其结构简单、运行平稳可靠；四是移动台的丝杠轴与步进电机的转动轴连接，进一步提升了本发明波长计的自动化程度；五是根据公式δm＝Kδλ和 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}},$ 得出了本发明波长计的测量误差，测量者根据误差值可判定能否满足测量的精度要求，为进而采取相应措施奠定了基础。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是现有技术迈克尔孙干涉仪的基本结构示意图；

图2是本发明波长计的一种基本结构示意图；

图3是对基于单层胶体晶体合成的有序孔阵列用美国FEI Sirion 200型场发射扫描电子显微镜进行观察后摄得的多张扫描电镜(FESEM)照片中的4张，其中，图3a为使用直径为1000nm的胶体球，利用单分散性胶体溶液合成的单层有序孔阵列的FESEM图像；图3b为使用直径为1000nm的胶体球，采用硝酸铁溶液浸渍法而获得的氧化铁的有序孔阵列的FESEM图像；图3c为使用直径为800nm的胶体球，采用聚合物PVA溶液浸渍法而获得的PVA的有序孔阵列的FESEM图像；图3d为使用直径为200nm的胶体球，采用聚合物PVA溶液浸渍法而获得的PVA的有序孔阵列的FESEM图像。由图3b和图3c可以看到，有序孔阵列为单畴结构，其孔形为圆孔、且呈六方排列。由图3d可看到，有序孔阵列为多畴结构，其孔形为圆孔、且呈六方排列；

图4是垂直入射的平行光透过本发明波长计的有序孔阵列后形成的衍射花样，其中的图4a是波长为532nm的激光透过如图3d所示的多畴PVA有序孔阵列后形成的圆环状衍射图案，图4b是自然光透过如图3d所示的多畴PVA有序孔阵列后形成的连续环状的衍射图案；

图5和图6是本发明波长计的实现原理图，当一束光透过有序孔阵列(3)时，最相近的邻孔之间(间距为2a)将发生干涉效应，所有这些最近邻关系孔的干涉将形成一个集体效应。当入射光束的尺寸Φ小于单个有序畴尺寸d时，光束透过有序孔阵列后在垂直于光束放置的距离有序孔阵列为1处的显示屏(5)上形成六边形顶点的衍射斑点(如图6a所示)，当Φ>>d时，将在显示屏上形成圆形的衍射环(如图6b所示)；衍射斑点或衍射环的半径m在1和2a确定时，与入射光波长(λ)满足方程： $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}},$ 从而可以通过测量m的值确定某未知入射光束的波长；

图7是本发明波长计的系统误差分析指针图，其衍射斑点或衍射环的半径m和入射光波长λ满足δm＝Kδλ，其中 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}}.$ 对于一定单色性质量的光波，K值越大，其分辨率就越高。所以高精度的测量存在于高K值段。图中显示K值随λ/2a和1变化的曲线，由图可看出，高精度的测量(对应高K值)存在于λ/2a>0.6和大的1处。所以本发明波长计的最佳测量范围为0.8>λ/2a>0.6。更大波长的测量对应大的m值，不利于仪器的小型化和实现。测量分辨率在δm＝0.5mm、2a＝1000nm、λ/2a＝0.8～0.6、1＝20cm时，K＝0.93～0.39mm/nm，其分辨率δλ＝0.6～1.3nm。

具体实施方式

参见图2和图3，平行光源1的光路上依次置有与其入射角相垂直设置的半透镜和位于移动台上的平面镜。其中，半透镜由透明衬底2和有序孔阵列3构成；有序孔阵列3为二维多畴(或单畴)有序孔阵列，其层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列，有序孔阵列3的孔阵列周期为200nm(可在200nm～20μm间选择)。平面镜为显示屏5，现选用光敏传感器作为显示屏5，它位于透明衬底2的附有有序孔阵列3的一侧，且与其平行设置，光敏传感器与有序孔阵列3间的距离为60cm(可在20cm～1m间选择)，其输出端与控制器11的输入端电连接。移动台包含工作平台6和与其动配合连接的导轨7，以及连接工作平台6与导轨7的丝杠螺母付；其中，丝杠螺母付中的螺母12与工作平台6固定连接，丝杠8与导轨7动配合连接。移动台的丝杠8轴与步进电机9的转动轴连接。步进电机9的输入端与步进电机电源10的输出端电连接。步进电机电源10的输入端与控制器11的输出端电连接。

本发明的测量方法如下：实施例1：参见图2、图3、图4、图5、图6和图7，测量时，预先选定有序孔阵列3为如图3d所示的二维多畴有序孔阵列，该有序孔阵列3的层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列，有序孔阵列3的孔阵列周期为200nm。再选定待测的入射光即平行光源1为单色光，现选为波长为532nm的激光。接着，设定测量的精度，即选择有序孔阵列3与显示屏5间的距离为60cm。之后，调整平行光源1的入射角，使其与透明衬底2相垂直；并根据显示屏5上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列3的孔阵列周期幅度的增减，即对于显示屏5上无衍射斑点或衍射环时，选择更大周期的有序孔阵列3，对于显示屏5上衍射斑点或衍射环太小，无法测量时，选择更小周期的有序孔阵列3，从而使平行光源1垂直入射由透明衬底2和有序孔阵列3构成的半透镜，并通过其中的有序孔阵列3产生衍射束4投射在置于移动台上的显示屏5上，得到如图4a所示的圆环状衍射图案，以及形如图6b所示的衍射环。然后，测量显示屏5上的衍射环的半径。再通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，式中，λ为入射光波长、2a为有序孔阵列3中相邻两孔的间距、m为衍射环的半径、1为有序孔阵列3与显示屏5间的距离。从而获得平行光源1的波长值为532nm，与选定的待测入射光的波长相同。根据公式δm＝Kδλ和 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}},$ 得出本次测量的误差，若需更高的测量精度，则先增大有序孔阵列3与显示屏5间的距离，再测量显示屏5上的衍射环的半径m和通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，直至获得满意的波长测量精度为止。

实施例2：参见图2、图3、图4、图5、图6和图7，测量时，预先选定有序孔阵列3为如图3d所示的二维多畴有序孔阵列，该有序孔阵列3的层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列，有序孔阵列3的孔阵列周期为200nm。再选定待测的入射光即平行光源1为复色光，现选为自然光。接着，设定测量的精度，即选择有序孔阵列3与显示屏5间的距离为60cm。之后，调整平行光源1的入射角，使其与透明衬底2相垂直；并根据显示屏5上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列3的孔阵列周期幅度的增减，即对于显示屏5上无衍射斑点或衍射环时，选择更大周期的有序孔阵列3，对于显示屏5上衍射斑点或衍射环太小，无法测量时，选择更小周期的有序孔阵列3，从而使平行光源1垂直入射由透明衬底2和有序孔阵列3构成的半透镜，并通过其中的有序孔阵列3产生衍射束4投射在置于移动台上的显示屏5上，得到如图4b所示的连续环状的衍射图案，以及形如图6b所示的衍射环。然后，测量显示屏5上的衍射环的半径。再通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，式中，λ为入射光波长、2a为有序孔阵列3中相邻两孔的间距、m为衍射环的半径、1为有序孔阵列3与显示屏5间的距离。从而获得平行光源1的波长值。根据公式δm＝Kδλ和 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}},$ 得出本次测量的误差，若需更高的测量精度，则先增大有序孔阵列3与显示屏5间的距离，再测量显示屏5上的衍射环的半径m和通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，直至获得满意的波长测量精度为止。

实施例3：参见图2、图3、图4、图5、图6和图7，测量时，预先选定有序孔阵列3为如图3c所示的二维单畴有序孔阵列，该有序孔阵列3的层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列，有序孔阵列3的孔阵列周期为800nm。再选定待测的入射光即平行光源1为单色光，现选为波长为532nm的激光。接着，设定测量的精度，即选择有序孔阵列3与显示屏5间的距离为60cm。之后，调整平行光源1的入射角，使其与透明衬底2相垂直；并根据显示屏5上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列3的孔阵列周期幅度的增减，即对于显示屏5上无衍射斑点或衍射环时，选择更大周期的有序孔阵列3，对于显示屏5上衍射斑点或衍射环太小，无法测量时，选择更小周期的有序孔阵列3，从而使平行光源1垂直入射由透明衬底2和有序孔阵列3构成的半透镜，并通过其中的有序孔阵列3产生衍射束4投射在置于移动台上的显示屏5上，得到形如图6a所示的六边形顶点的衍射斑点。然后，测量显示屏5上的衍射斑点的半径。再通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，式中，λ为入射光波长、2a为有序孔阵列3中相邻两孔的间距、m为衍射斑点的半径、1为有序孔阵列3与显示屏5间的距离。从而获得平行光源1的波长值为532nm，与选定的待测入射光的波长相同。根据公式δm＝Kδλ和 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}},$ 得出本次测量的误差，若需更高的测量精度，则先增大有序孔阵列3与显示屏5间的距离，再测量显示屏5上的衍射斑点的半径m和通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，直至获得满意的波长测量精度为止。

实施例4：参见图2、图3、图4、图5、图6和图7，测量时，预先选定有序孔阵列3为如图3c所示的二维单畴有序孔阵列，该有序孔阵列3的层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列，有序孔阵列3的孔阵列周期为800nm。再选定待测的入射光即平行光源1为复色光，现选为自然光。接着，设定测量的精度，即选择有序孔阵列3与显示屏5间的距离为60cm。之后，调整平行光源1的入射角，使其与透明衬底2相垂直；并根据显示屏5上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列3的孔阵列周期幅度的增减，即对于显示屏5上无衍射斑点或衍射环时，选择更大周期的有序孔阵列3，对于显示屏5上衍射斑点或衍射环太小，无法测量时，选择更小周期的有序孔阵列3，从而使平行光源1垂直入射由透明衬底2和有序孔阵列3构成的半透镜，并通过其中的有序孔阵列3产生衍射束4投射在置于移动台上的显示屏5上，得到形如图6a所示的六边形顶点的衍射斑点。然后，测量显示屏5上的衍射斑点的半径。再通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，式中，λ为入射光波长、2a为有序孔阵列3中相邻两孔的间距、m为衍射斑点的半径、1为有序孔阵列3与显示屏5间的距离。从而获得平行光源1的波长值。根据公式δm＝Kδλ和 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}},$ 得出本次测量的误差，若需更高的测量精度，则先增大有序孔阵列3与显示屏5间的距离，再测量显示屏5上的衍射斑点的半径m和通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，直至获得满意的波长测量精度为止。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的有序孔阵列透射式波长计及其测量方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1、一种有序孔阵列透射式波长计，包括平行光源(1)和其光路上的半透镜和平面镜，以及移动台，其特征在于：

(a)所述平行光源(1)的入射角与所述半透镜相垂直；

(b)所述半透镜或平面镜位于移动台上；

(c)所述半透镜由透明衬底(2)和有序孔阵列(3)构成，所述有序孔阵列(3)为二维单畴或多畴孔阵列，其层数为一层，孔形为圆形、且呈六方排列，孔阵列的周期为200nm～20μm；

(d)所述平面镜为显示屏(5)，所述显示屏(5)位于所述透明衬底(2)的附有有序孔阵列(3)的一侧，且与所述有序孔阵列(3)间的距离为20cm～1m。

2、根据权利要求1所述的有序孔阵列透射式波长计，其特征是显示屏(5)为漫反射屏幕或光敏传感器，所述漫反射屏幕或光敏传感器位于移动台上，且与有序孔阵列(3)平行设置。

3、根据权利要求2所述的有序孔阵列透射式波长计，其特征是光敏传感器的输出端与控制器(11)的输入端电连接。

4、根据权利要求1或3所述的有序孔阵列透射式波长计，其特征是移动台包含工作平台(6)和与其动配合连接的导轨(7)，以及连接工作平台(6)与导轨(7)的丝杠螺母付，所述丝杠螺母付中的螺母(12)与工作平台(6)固定连接，丝杠(8)与导轨(7)动配合连接。

5、根据权利要求4所述的有序孔阵列透射式波长计，其特征是移动台的丝杠(8)轴与步进电机(9)的转动轴连接。

6、根据权利要求5所述的有序孔阵列透射式波长计，其特征是步进电机(9)的输入端与步进电机电源(10)的输出端电连接。

7、根据权利要求6所述的有序孔阵列透射式波长计，其特征是步进电机电源(10)的输入端与控制器(11)的输出端电连接。

8、根据权利要求1所述的有序孔阵列透射式波长计的测量方法，包括接收平行光和输出干涉光，其特征在于所述方法包含以下步骤：

(a)设定测量的精度，即选择有序孔阵列与显示屏间的距离；

(b)根据显示屏上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列的孔阵列周期幅度的增减，即对于显示屏上无衍射斑点或衍射环时，选择更大周期的有序孔阵列，对于显示屏上衍射斑点或衍射环太小，无法测量时，选择更小周期的有序孔阵列；

(c)测量显示屏上的衍射斑点或衍射环的半径；

(d)通过公式 $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{am}}{\sqrt{m^2+l^2}}$ 确定波长，式中，λ为入射光波长、2a为有序孔阵列中相邻两孔的间距、m为衍射斑点或衍射环的半径、1为有序孔阵列与显示屏间的距离。

9、根据权利要求8所述的有序孔阵列透射式波长计的测量方法，其特征是根据公式δm＝Kδλ和 $K=\frac{l}{2a{[1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2]}^{3/2}},$ 得出测量误差，式中，δm为m的微小变化量、K为测量精度的系数、δλ为λ的微小变化量，变更测量的精度，则重新设定测量的精度。

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