CN101545826A - 光栅衍射效率的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种光栅衍射效率的测量装置和方法，该装置包括单色光源、分束器、光栅旋转台、探测器、二维平移台和计算机，特点是采用第二探测器和第三探测器分别在小圆弧和大圆弧上移动探测待测光栅衍射光束L3的能量，达到了减小测量盲区和降低光学平台尺度要求的目的。采用双光路同步测量消除光源的不稳定引起的测量误差。

Description

光栅衍射效率的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及光栅衍射效率，特别是一种光栅衍射效率的测量装置和方法，本发明的测量装置实现了在一定入射波长范围或者入射角度范围内对光栅衍射效率的自动扫描测量。

背景技术

光栅的非零级衍射角会随入射光波长的变化而改变。当光栅周期较大时(大于入射中心波长3倍以上)，针对某一级次的衍射角随波长变化不是很明显。针对这样的光栅，可以采用探测面较大的探测器在固定位置完成对某一衍射级次在一定波长范围的衍射效率的测量。但是当光栅周期为亚波长量级时，一般只存在—1级和0级两个衍射级次。当入射角不变时，—1级衍射角因随入射波长的不同而发生很大的改变，所以，采用固定探测器方法，不能完成亚波长光栅—1级衍射在较宽光谱入射的衍射效率的测量。

另外，在光栅衍射角谱特性的测量中，中心波长在一定的入射角范围内变化，对应的光栅—1级衍射角度会也在大角度范围内发生了变化。这就要求接受衍射能量的探头能在大角度范围内改变。

在测量亚波长光栅—1级效率衍射效率，当入射角对应入射波长是近自准直角时，此时衍射角与入射角接近。在探测衍射光能量时，探测器有可能出现挡光现象，从而存在了测量盲区。对于一些闪耀角设计在自准直角附近的光栅，这一入射角的光栅衍射特性是关注的重点，提出测量盲区需要尽量减小。这个问题在测量接近垂直入射的反射效率时也同样存在。这样的测量需要一套装置，能尽量减小测量盲区，使得测量盲区的最终的数据拟合误差降到最小。

目前光栅衍射效率的测试平台很少，基本上采用选择几个波长或者几个入射角度，手动调整接受衍射光的探测器的位置。这样的测量方法存在很多缺陷：

1)测量效率很低，每调整一个输入波长的参量，需要计算角度，手动改变探测器位置；

2)测量误差大，手动调节探测器位置时，会因探测器和光栅的距离或者探测角度偏差，引入测量误差；

3)测量数据不完整，对于光栅衍射谱中导模共振异常的测量时，由于导模共振异常对入射光波长和角度非常敏感，一般小于0.1nm或者0.1度，手动调整探测器位置难以探测到导模共振信息。

如上述分析，要求一种能在大角度范围内接受衍射光、测量盲区尽量小、在一定入射波长或者入射角度变化时能自动扫描测量光栅衍射效率的测量方法和装置。本发明实现了上述光栅衍射效率的测量需求。

发明内容

本发明的目的是要克服上述现有技术的缺陷，提供一种光栅衍射效率的测量装置和方法，实现在一定入射波长范围或者入射角度范围内对光栅衍射效率的自动扫描测量，而且可以直接探测接近全角度范围内的衍射光束。

为了实现本发明的目的，本发明技术解决方案如下：

一种光栅衍射效率的测量装置，其特点是该装置包括：

单色光源，沿该单色光源的单色光束输出方向有一分束器，该分束器将单色光束分为第一光束和第二光束，在第一光束方向设置第一探测器，在第二光束的输出方向是位于光栅旋转台上的待测光栅；

所述的光栅旋转台由三维平移台、第一电动转台、第二电动转台、钢板、平衡重物、圆柱形支柱和第二探测器构成，所述的第二电动转台和钢板的中心具有圆形的轴孔，所述的圆柱形支柱穿过所述的第二电动转台和钢板的中心具有圆形的轴孔并固定在光学平台上，所述的钢板同轴地安装在第二电动转台上，形成被驱动和驱动的关系，所述的圆柱形支柱的顶端支撑所述的第一电动转台，所述的三维平移台安装在所述的第一电动转台上，所述的待测光栅安置在所述的三维平移台上，所述钢板的一端安装所述的第二探测器，所述钢板的另一端置放所述的平衡重物；所述的待测光栅的测试点位于所述的第一电动转台、第二电动转台、钢板和圆柱形支柱同一旋转轴的轴线上；

一个二维平移台用于固定第三探测器并带动该第三探测器在大圆弧上移动，该大圆弧的圆心亦位于所述的第一电动转台、第二电动转台、钢板和圆柱形支柱同一旋转轴的轴线上；

一台计算机，该计算机通过信号线分别与所述的单色光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第一电动转台、第二电动转台相连。

所述单色光源由宽带光源和单色仪构成，在一定波长范围扫描输出单色光。

一种测量待测光栅的衍射效率的方法，包括以下步骤：

①用待测定入射波长带宽范围内或者角度带宽范围内已知反射效率的反射镜置于所述的三维平移台上，通过第一探测器、第二探测器、第三探测器标定所述的光束L3从反射镜传输到小圆弧第二探测器和大圆弧上的第三探测器的能量损耗；

②用待测光栅置于所述的三维平移台上，通过第一探测器、第二探测器和第三探测器分别探测第一光束和衍射光束的能量，计算机计算出光栅的衍射效率。

当入射待测光栅的光束与光栅衍射光束的交角θ>15°时，用第二探测器探测衍射光束的能量。

当入射待测光栅的光束与光栅衍射光束的交角θ<15°时，用在大圆弧移动上的第三探测器接受衍射光束的能量。

本发明的技术效果：

1、本发明采用了两个探测器在两个半径不同的圆弧上分段测量光栅衍射光能量，实现了接近全角度范围内接受光栅的衍射光束。具体来说，当衍射光束与入射光束的夹角较大时(>15°)，探测器在小半径圆弧上移动接受衍射光束能量；当衍射光束与入射光束夹角较小(<15°)时，探测器在大半径圆弧上移动接受衍射光束能量。两个探测器移动角度范围和移动圆弧的半径大小可以根据具体侧量光栅样品的大小适当调整。这样的设计，对于衍射光束与入射光束夹角较大时，探测器在半径较小的圆弧上移动而不会挡住入射光束，这样就能够在较小光学平台上实现大角度范围内接受衍射光束；对于衍射光束与入射光束夹角较小时，如果探测器继续在小半径圆弧上移动，则探测器会挡住入射光。在这样的夹角范围测量时，采用另一安置能在大圆弧上移动的探测器接受衍射光束能量。在相同入射光束和衍射光束夹角时，探测器与入射光束的距离增大了，可以探测与入射光夹角更小的衍射光束的能量，实现减小测量盲区的目的。

2、两个探测器都在圆弧上运动，确保了同一个探测器接收的衍射光在空气中传播路程是相等的，从而避免了不同传播长度光束在空气中能量损耗不同而附加的测量误差。

3、在小半径圆弧上移动的探测器安装在一个长度略大于小圆弧直径的钢板的一端。钢板安装在电动转台上，且钢板的中心与电动转台转轴共线。旋转台的旋转实现了探测器在圆弧上的移动。钢板的另一端附加于探测器质量相等的物体，以减轻电动平台的偏载。

4、在大半径圆弧上移动的第三探测器安装在一个二维电控位移台上。调整位移台在两个方向上的位置，实现探测器在大圆弧上的移动。如果直接用小半径圆弧上移动探测器方案，钢板质量增大，增加了平移台的负载，从而减少平移台使用寿命，降低重复定位精度。

5、待测光栅安装在一个三维平移台上，以便于调整光栅位置和被测量的区域。三维平移台安转载第一电动转台上。在测量光栅衍射频谱时，调整旋转台以确定入射角度；在测量光栅衍射角谱时，旋转台在设定角度范围内步进旋转，实现入射角在一定角度范围内的扫描。

6、本发明中引入分光镜进行分光和双光路能量探测，消除不同时刻光源的输出能量的波动而引起的测量误差。

附图说明

图1为本发明测量光栅衍射效率的装置的平面图。

图2为本发明光栅旋转台的侧视示意图。

图3为发明光栅旋转台部分组件的俯视示意图之一。

图4为发明光栅旋转台部分组件的俯视示意图之二

图5为第三探测器和二维平移台的侧视示意图之一。

图6为第三探测器和二维平移台的侧视示意图之二

图7为二维平台实现探测器在圆弧上移动的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1给出了本发明的光栅衍射效率测量装置的示意图，由图可见，本发明光栅衍射效率的测量装置，包括：

单色光源3，所述单色光源3由宽带光源1和单色仪2构成，在一定波长范围扫描输出单色光。沿该单色光源3的单色光束L输出方向有一分束器4，该分束器4将单色光束L分为第一光束L1和第二光束L2，在第一光束L1方向设置第一探测器6，在第二光束L2的输出方向是位于光栅旋转台上的待测光栅5；

所述的光栅旋转台由三维平移台10、第一电动转台11、第二电动转台12、钢板13、平衡重物14、圆柱形支柱15和第二探测器7构成，第一电动转台11、所述的第二电动转台12和钢板13的中心具有圆形的轴孔，所述的圆柱形支柱15穿过所述的第二电动转台12和钢板13的中心具有圆形的轴孔并固定在光学平台上，所述的钢板13同轴地安装在第二电动转台12上，形成被驱动和驱动的关系，所述的圆柱形支柱15的顶端支撑所述的第一电动转台11，所述的三维平移台10安装在所述的第一电动转台11上，所述的待测光栅5安置在所述的三维平移台10上，所述钢板13的一端安装所述的第二探测器7，所述钢板13的另一端置放所述的平衡重物14；所述的待测光栅5的测试点位于所述的第一电动转台11、第二电动转台12、钢板13和圆柱形支柱15的同一旋转轴的轴线上；

一个二维平移台16用于固定第三探测器8并带动该第三探测器8在大圆弧上移动，该大圆弧的圆心亦位于所述的第一电动转台11、第二电动转台12、钢板13和圆柱形支柱15同一旋转轴的轴线上；

一个计算机C1该计算机C1通过信号线分别与所述的单色光源3、第一探测器6、第二探测器7、第三探测器8、第一电动转台11、第二电动转台12、二维平移台16相连。

第二光束L2入射到待测光栅5上衍射出衍射光束L3。衍射光束L3与入射光栅的第二光束L2的夹角为θ。当夹角θ比较大时(>15°)，衍射光束L3的能量由一能在半径比较小(<30cm)的圆弧上移动的第二探测器7接收；当夹角θ比较小时(<15°)，衍射光束L3的能量由一能在半径比较大(>100cm)的圆弧上移动的第三探测器8接收。

待测光栅5安置在三维平移台10上。通过在三个方向的调整，可以完成对大的光栅样品不同区域衍射效率的测量。三维平移台10安装在第一电动转台11上。当测量光栅样品的衍射频谱时，电动转台转向设定的入射角度；当测量光栅样品的衍射角度时，电动转台自动在设定的入射角度范围内进行步进转动。

在小半径圆弧上移动的第二探测器7安装在一个钢板13一端，如图2、图4所示。钢板13同轴地安装在第二电动转台12上。当衍射光束L3角度反射变化时，由计算机控制第二电动转台12转动相应的角度，第二电动转台12带动钢板13及第二探测器7转动，实现探测器在小半径圆弧上的移动探测。第二电动转台12直接安装在光学平台上。

钢板13的几何模型如图2和图4所示，在钢板的另一侧附加一个质量与第二探测器7相当的平衡重物14，用于平衡电动转台偏载。在大半径圆弧上移动的探测器8安装在一个二维平移台16上。当衍射光束L3角度反射变化时，由计算机C1控制二维平移台在两个方向上调整，如图7所示，实现探测器在大半径圆弧上的移动探测。

以下具体说明本发明用于测量光栅衍射效率的方法。

如上面所述的，调整该装置各部件位置，使其满足上述各部件旋转的共轴要求。用一个在需要测量波长带宽或者入射角度带宽内反射效率已知的反射镜代替光栅样品，这里为了说明方便，效率解释说明中反射镜的反射效率取100％。通过分束器出射的第一光束L1的和第二光束L2的能量分别为E_1b和E_2b。第一光束L1传输到第一探测器6处能量为

第二光束L2传输到反射镜入射点处能量为

记：

${\mathrm{\&eta;}}_s=E_{2b}^{\&prime;}/E_{1b}^{\&prime;}---\left(1\right)$

第二光束L2入射反射镜出射的光束L3的能量为E_3b。在小圆弧上第二探测器7探测光束L3的能量为E_3bs＝E_3b·(1-η_sl)，在大圆弧上第三探测器8探测光束L3的能量为E_3bl＝E_3b·(1-η_ll)，η_sl和η_ll分别对应光束L3从反射镜传输到小圆弧和大圆弧的能量损耗。

在小圆弧位置，反射镜反射效率记为：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{small}}=\frac{E_{3b}}{E_{2b}^{\&prime;}}=\frac{E_{3\mathrm{bs}}}{E_{2b}^{\&prime;}\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}})}=1---\left(2\right)$

将(1)式代入(2)式因子

项，得：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{small}}=\frac{E_{3\mathrm{bs}}}{E_{1b}^{\&prime;}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_s\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}})}=1---\left(3\right)$

整理得到：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{bs}}={\mathrm{\&eta;}}_s\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}})=\frac{E_{3\mathrm{bs}}}{E_{1b}^{\&prime;}}---\left(4\right)$

同样，在大圆弧位置，有：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{bl}}={\mathrm{\&eta;}}_s\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ll}})=\frac{E_{3\mathrm{bl}}}{E_{1b}^{\&prime;}}---\left(5\right)$

η_bs和η_bl分别为本发明测量装置在小圆弧和大圆弧上探测器标定因子，其中考虑了各光束在空气中传输的能量损耗。

完成该测量装置的标定后，将待测光栅3代替反射镜，并放置到相同位置上。入射待测光栅5前的光路与用反射镜标定时是相同的，考虑到光源的波动，通过分束器出射的第一光束L1的和第二光束L2的能量分别记为E_1c和E_2c。第一光束L1传输到第一探测器6处能量为第二光束L2传输到反射镜入射点处能量为记：

${\mathrm{\&eta;}}_s^{\&prime;}=E_{2c}^{\&prime;}/E_{1c}^{\&prime;}---\left(6\right)$

对于相同的入射波长， ${\mathrm{\&eta;}}_s^{\&prime;}={\mathrm{\&eta;}}_s.$

第二光束L2入射待测光栅5后，在待测衍射级次上衍射光束L3的能量为E_3c。在小圆弧上探测衍射光束L3的能量为 $E_{3\mathrm{cs}}=E_{3c}\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}}^{\&prime;}),$ 在大圆弧上探测衍射光束L3的能量为 $E_{3\mathrm{cl}}=E_{3c}\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ll}}^{\&prime;}),$ 和

分别对应光束L3从反射镜传输到小圆弧和大圆弧的能量损耗。在测量系统标定时间相隔几个小时内， ${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}}^{\&prime;}={\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}}$ 和 ${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ll}}^{\&prime;}={\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ll}}.$ 所以，在小圆弧位置，光栅的衍射效率：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gs}}=\frac{E_{3c}}{E_{2c}^{\&prime;}}=\frac{E_{3\mathrm{cs}}}{E_{2c}^{\&prime;}\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}}^{\&prime;})}=\frac{E_{3\mathrm{cs}}}{E_{1c}^{\&prime;}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_s^{\&prime;}\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}}^{\&prime;})}=\frac{E_{3\mathrm{cs}}}{E_{1c}^{\text{\&prime;}}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_s\&CenterDot;(1-{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{sl}})}---\left(7\right)$

将(4)式代入(7)式得：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gs}}=\frac{E_{3\mathrm{cs}}}{E_{1c}^{\&prime;}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{bs}}}---\left(8\right)$

同样，得到在大圆弧位置，光栅衍射效率的计算表达式：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gl}}=\frac{E_{3\mathrm{cl}}}{E_{1c}^{\&prime;}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{bl}}}---\left(9\right)$

η_gs和η_gl联合起来，完成了光栅样品在大衍射角度范围的衍射效率的测量。

光栅衍射效率的表达式(8、9)中没有与光源能量项，说明本发明采用分束器双光路同时检测方法消除了不同时刻光源输出能量的波动引入的测量误差。

下面结合具体参数，讨论采用两个探测器接受衍射光束L3的优点。第二探测器7移动轨迹的小圆弧半径取25cm，第三探测器8移动轨迹的大圆弧半径取120cm，探测器中心到边缘取2.5cm。当衍射光束L3和入射光栅的光束L2的夹角θ小于5.7。时，在小圆弧上移动的第二探测器7会挡住入射光束L2。所以，在小圆弧上移动的第二探测器7的测量盲区在夹角θ在±5.7°范围内。对于在大圆弧上移动的第三探测器8，其测量盲区在夹角θ在±1.2°范围内。可以看出，本发明采用两个探测器接受衍射光束L3大大减小了测量盲区。

如果完全采用在大圆弧上移动的第三探测器8接受光栅衍射光束L3，需要一个长度和宽度至少等于大圆弧直径的光学平台，这样的成本很高。而且在大圆弧上大角度移动，不能保证探测器的重复定位精度。所以，本发明的设计减小了对光学平台尺寸的要求。

Claims (5)

1、一种光栅衍射效率的测量装置，其特征在于该装置包括：

单色光源(3)，沿该单色光源(3)的单色光束(L)输出方向有一分束器(4)，该分束器(4)将单色光束(L)分为第一光束(L1)和第二光束(L2)，在第一光束(L1)方向设置第一探测器(6)，在第二光束(L2)的输出方向是位于光栅旋转台上的待测光栅(5)；

所述的光栅旋转台由三维平移台(10)、第一电动转台(11)、第二电动转台(12)、钢板(13)、平衡重物(14)、圆柱形支柱(15)和第二探测器(7)构成，第一电动转台(11)、所述的第二电动转台(12)和钢板(13)的中心具有圆形的轴孔，所述的圆柱形支柱(15)穿过所述的第二电动转台(12)和钢板(13)的中心具有圆形的轴孔并固定在光学平台上，所述的钢板(13)同轴地安装在第二电动转台(12)上，形成被驱动和驱动的关系，所述的圆柱形支柱(15)的顶端支撑所述的第一电动转台(11)，所述的三维平移台(10)安装在所述的第一电动转台(11)上，所述的待测光栅(5)安置在所述的三维平移台(10)上，所述钢板(13)的一端安装所述的第二探测器(7)，所述钢板(13)的另一端置放所述的平衡重物(14)；所述的待测光栅(5)的测试点位于所述的第一电动转台(11)、第二电动转台(12)、钢板(13)和圆柱形支柱(15)同一旋转轴的轴线上；

一个二维平移台(16)，用于固定第三探测器(8)并带动该第三探测器(8)探测器在大圆弧上移动，该大圆弧的圆心亦位于所述的第一电动转台(11)、第二电动转台(12)、钢板(13)和圆柱形支柱(15)同一旋转轴的轴线上；

一个计算机(C1)该计算机(C1)通过信号线分别与所述的单色光源(3)、第一探测器(6)、第二探测器(7)、第三探测器(8)、第一电动转台(11)、第二电动转台(12)相连。

2、根据权利要求1所述的光栅衍射效率的测量装置，其特征在于所述单色光源(3)由宽带光源(1)和单色仪(2)构成，在一定波长范围扫描输出单色光。

3、一种用权利要求1所述的光栅衍射效率的测量装置测量待测光栅的衍射效率的方法，其特征在于包括以下步骤：

①用待测定入射波长带宽范围内或者角度带宽范围内已知反射效率的反射镜置于所述的三维平移台(10)上，通过第一探测器(6)、第二探测器(7)、第三探测器(8)标定所述的光束L3从反射镜传输到小圆弧第二探测器(7)和大圆弧上的第三探测器(8)的能量损耗；

②用待测光栅(5)置于所述的三维平移台(10)上，通过第一探测器(6)、第二探测器(7)和第三探测器(8)分别探测第一光束(L1)和衍射光束(L3)的能量，计算机(C1)计算出光栅的衍射效率。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于当入射待测光栅(5)的光束(L2)与光栅衍射光束(L3)的交角θ>15°时，用第二探测器(7)探测衍射光束(L3)的能量。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于当入射待测光栅(5)的光束(L2)与光栅衍射光束(L3)的交角θ<15°时，用在大圆弧移动上的第三探测器(8)接受衍射光束(L3)的能量。

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