CN102564741A - 一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统，将椭球面反射镜引入到测量系统。椭球面反射镜的特点是将从一个焦点发出的所有光都引导到第二焦点上。照明光波与光栅的交点在椭球面反射镜的第一焦点，探测器的探头固定在椭球面反射镜的第二焦点。这样照明光波以任意角度入射到光栅上的光都可以被探测器探头接收。该系统可以在大角度范围内自动实时的接受衍射光能量。可以对衍射光能量进行全程自动探测，节省了系统空间。有效缩小该测量系统的体积和减轻其重量，同时实现了衍射效率的实时定点测量。此外，只需整体调整椭球面反射镜、光栅入射点及探测器探头位置，即可适用于不同探测角度范围需求，具有很高的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量光栅衍射效率曲线的方法及系统，尤其涉及一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统。
背景技术
光栅是一种重要的分光光学元件，广泛应用于现代光学的各个领域。利用光栅的分光性质可以做成各种不同的器件，如光栅尺，光栅光谱仪等。在利用光栅进行实际器件设计时，首先要准确知道光栅周期，光栅折射率调制度及有效厚度等光栅特有参数。这些参数的确定可以通过研究光栅衍射效率曲线得到。
在进行光栅衍射效率测量过程中，光栅的衍射角会随着入射光波的入射角变化而改变。当光栅周期较大时，在衍射方向出现了多级衍射，针对某一级次的衍射角随入射角变化不是很明显。针对这样的光栅可以将探测器固定在一个位置，就可以完成衍射效率的测量。但是对于光栅周期很小的光栅，特别对于体光栅来说，当波长不变时，衍射角会随入射角的改变而发生很大的改变，所以，采用固定探测器方法，不能完成对光栅衍射效率的测量。这就要求接受衍射能量的探头能在大角度范围内改变。
目前光栅衍射效率的测量，基本上是用电动步机控制转台来改变入射角，手动改变探测器的位置进行测量。这种方法会因探测器的角度改变而人为引入测量误差。同时当光波近似垂直入射到光栅表面时，其衍射光波在入射光波附近。在探测衍射光能量时，探测器将出现挡光现象而使衍射效率的测量出现测量盲区。
近来虽然有提出一种实现对光栅衍射效率进行自动扫描测量装置(专利号：CN101545826)，可以直接探测接近全角度范围内的衍射光束，有效的解决了上述衍射效率测量过程中存在的问题。但是该方法在接受衍射能量的过程中，需要对探测器在大范围内随着入射角改变而旋转，这使得测量系统需要很大的空间，不利于将该系统组装成仪器，进行工程测量。同时对于不同入射角需采用两个固定在电动转台上的探测器进行探测，不同探测器记录衍射能量给衍射效率曲线引入误差，也大大的增加了测量系统对实验成本的要求。另外在两个探测器转换的过程中有可能存在测量盲区及判断误差。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统。
本发明的思想在于：光的传播服从费马原理，即在光所经历的所有可能的传播路径中，实际路径所对应的光程取极值。根据椭圆的几何性质，椭圆上任何一点到两个焦点的连线的夹角平分线就是过该点的法线，因此对于椭球面反射镜而言，位于椭球面反射镜一个焦点上的光源，经椭球面反射镜的反射，必定经过椭球面反射镜的另一个焦点。如图1所示，由焦点1发出的光经椭球面反射镜反射，均能在焦点2上接收。
技术方案
一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将激光器发出的光按能量1∶1的比例分为第一光束和第二光束；
步骤2：将其中第一光束进行准直为直径小于1mm的平行光束，并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于椭球面反射镜的第一焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过椭球面反射镜反射到达椭球面反射镜的第二焦点处，测量椭球面反射镜的第二焦点处的光强数值；
步骤3：用测量得到的第二焦点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率。
一种利用椭球面反射镜测量得到光栅衍射效率得到角度选择性曲线的方法，其特征在于：从0°到-80°或者0°到80°之间改变照射到被测光栅上第一光束的入射角，循环下述步骤：
步骤(1)：将激光器发出的光按能量1∶1的比例分为第一光束和第二光束；
步骤(2)：将其中第一光束进行准直为直径小于1mm的平行光束，并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于椭球面反射镜的第一焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过椭球面反射镜反射到达椭球面反射镜的第二焦点处，测量椭球面反射镜的第二焦点处的光强数值；
步骤(3)：用测量得到的第二焦点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率；
得到0°到-80°或者0°到80°之间的衍射效率系列值，以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到被测光栅衍射效率的角度选择性曲线；所述入射角改变量的步进值小于2°。
一种实现所述利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法的系统，其特征在于包括激光器1、光束分束器2、扩束准直镜9，椭球面反射镜6、第二光功率探测器7和第一光功率探测器8；在激光器1的激光光路上设置光束分束器2，光束分束器2将激光器1发出的光束分为光强比为1∶1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器7测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜9，将其准直为直径小于1mm的平行光束，被测光栅设置在准直光束的光路上，椭球面反射镜6设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为椭球面反射镜的一个焦点，在椭球面反射镜的另一个焦点处设置第一光功率探测器8，测得椭球面反射镜上第二光束的反射光强度；用第一光功率探测器8测量得到的光强数值除以第二光功率探测器7测量得到的光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率。
一种实现所述利用椭球面反射镜测量的光栅衍射效率得到角度选择性曲线的系统，其特征在于包括激光器1、光束分束器2、扩束准直镜9，椭球面反射镜6、第二光功率探测器7和第一光功率探测器8；在激光器1的激光光路上设置光束分束器2，光束分束器2将激光器1发出的光束分为光强比为1∶1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器7测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜9，将其准直为直径小于1mm的平行光束，被测光栅设置在准直光束的光路上，椭球面反射镜6设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为椭球面反射镜的一个焦点，在椭球面反射镜的另一个焦点处设置第一光功率探测器8，测得椭球面反射镜上第二光束的反射光强度；将被测光栅置于旋转台3上，第一光功率探测器置于椭球面反射镜的另一焦点上，调整扩束准直镜后的平行光束照射到被测光栅上，转动旋转台3使得被测光栅上平行光束的入射角在0°到-80°或者0°到80°之间改变，改变量步进值小于2°，使用第一光功率探测器8在入射角从0°到-80°或者0°到80°之间改变时测得抛物面反射镜上第二光束的反射光强度；在每次变化中用第一光功率探测器8测量得到的光强数值除以第二光功率探测器7测量得到的光强的两倍，得到变化的被测光栅的系列衍射效率。
所述被测光栅为反射式光栅或透射式光栅。
有益效果
本发明提出的一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统，将椭球面反射镜引入到测量系统。椭球面反射镜的特点是将从一个焦点发出的所有光都引导到第二焦点上。照明光波与光栅的交点在椭球面反射镜的第一焦点，探测器的探头固定在椭球面反射镜的第二焦点。这样照明光波以任意角度入射到光栅上的光都可以被探测器探头接收。该系统可以在大角度范围内自动实时的接受衍射光能量。可以对衍射光能量进行全程自动探测，节省了系统空间。有效缩小该测量系统的体积和减轻其重量，同时实现了衍射效率的实时定点测量。此外，只需整体调整椭球面反射镜、光栅入射点及探测器探头位置，即可适用于不同探测角度范围需求，具有很高的通用性。
附图说明
图1：是从椭球面反射镜一个焦点上发出的不同方向的光汇聚到另一焦点上的示意图；
图2：是本发明测量反射式光栅衍射效率的系统结构示意图；
图3：是本发明测量透射式光栅衍射效率的系统结构示意图；
图4：是本发明实施例得到的被测光栅衍射效率的角度选择性曲线
图中：1-激光器，2-光束分束器，3-旋转台，4-三维调节架，5-反射式光栅，6-椭球面反射镜，7-第二光功率探测器，8-第一光功率探测器，9-扩束准直镜，10-透射式光栅。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一：本发明设计的一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的系统结构示意图如图2所示，包括：激光器1，光束分束器2，旋转台3，三维调节架4，反射式光栅5，椭球面反射镜6，第二光功率探测器7，第一光功率探测器8，扩束准直镜9。
所述的一种实现所述利用椭球面反射镜测量反射式光栅衍射效率的系统的工作流程如下：光纤耦合输出He-Ne激光器1发出的波长为632nm的激光束经分光比为1∶1的光纤分束器2分为第一光束和第二光束；第二光束的光强P1被第二光功率探测器探测测量；将反射式光栅5固定在三维调节架4上，并整体固定于旋转台3上；第一光束被扩束准直镜10扩束准直成直径不大于1mm的平行光束并入射到反射式光栅5上；调整三维调节架4和旋转台3，其中准直平行光束在被测反射式光栅上的入射点为椭球面反射镜6的一个焦点，在椭球面反射镜6的另一个焦点处设置第一光功率探测器8，并测量得到其强度值P2；用测量得到的会聚点处的光强数值P2除以第二光束光强P1的两倍，得到被测光栅的衍射效率；以0.00125°的精度改变从40°到55°改变平行光束并入射到反射式光栅5上的入射角，得到衍射效率系列值；以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到如图4所示的被测光栅衍射效率的角度选择性曲线。
实施例二：本发明设计的一种利用椭球面透射镜测量透射式光栅衍射效率的系统结构示意图如图3所示，包括：激光器1，光束分束器2，旋转台3，三维调节架4，椭球面反射镜6，第二光功率探测器7，第一光功率探测器8，扩束准直镜9，透射式光栅10。所述的一种实现所述利用椭球面透射镜测量透射式光栅衍射效率的系统的工作流程如下：光纤耦合输出He-Ne激光器1发出的波长为632nm的激光束经分光比为1∶1的光纤分束器2分为第一光束和第二光束；第二光束的光强P1被第二光功率探测器探测测量；将透射式体光栅10固定在三维调节架4上，并整体固定于旋转台3上，；第一光束被扩束准直镜9扩束准直成直径不大于1mm的平行光束并入射到透射式光栅10上；调整三维调节架4和旋转台3，并设置椭球面反射镜6的一个焦点位置与光束入射点重合，其中准直平行光束在被透射式测光栅上的入射点为椭球面反射镜的一个焦点，在椭球面反射镜的另一个焦点处设置第一光功率探测器8，并测量得到其强度值P2；用测量得到的会聚点处的光强数值P2除以第二光束光强P1的两倍，得到被测透射式光栅的衍射效率；以0.00125°的精度改变从40°到55°改变平行光束并入射到透射式光栅10上的入射角，得到衍射效率系列值；以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到如图4所示的被测光栅衍射效率的角度选择性曲线。
Claims (5)
1.一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将激光器发出的光按能量1∶1的比例分为第一光束和第二光束；
步骤2：将其中第一光束进行准直为直径小于1mm的平行光束，并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于椭球面反射镜的第一焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过椭球面反射镜反射到达椭球面反射镜的第二焦点处，测量椭球面反射镜的第二焦点处的光强数值；
步骤3：用测量得到的第二焦点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率。
2.一种利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率得到角度选择性曲线的方法，其特征在于：从0°到-80°或者0°到80°之间改变照射到被测光栅上第一光束的入射角，循环下述步骤：
步骤(1)：将激光器发出的光按能量1∶1的比例分为第一光束和第二光束；
步骤(2)：将其中第一光束进行准直为直径小于1mm的平行光束，并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于椭球面反射镜的第一焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过椭球面反射镜反射到达椭球面反射镜的第二焦点处，测量椭球面反射镜的第二焦点处的光强数值；
步骤(3)：用测量得到的第二焦点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率；
得到0°到-80°或者0°到80°之间的衍射效率系列值，以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到被测光栅衍射效率的角度选择性曲线；所述入射角改变量的步进值小于2°。
3.一种实现权利要求1所述利用椭球面反射镜测量光栅衍射效率的方法的系统，其特征在于包括激光器(1)、光束分束器(2)、扩束准直镜(9)，椭球面反射镜(6)、第二光功率探测器(7)和第一光功率探测器(8)；在激光器(1)的激光光路上设置光束分束器(2)，光束分束器(2)将激光器(1)发出的光束分为光强比为1∶1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器(7)测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜(9)，将其准直为直径小于1mm的平行光束，被测光栅设置在准直光束的光路上，椭球面反射镜(6)设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为椭球面反射镜的一个焦点，在椭球面反射镜的另一个焦点处设置第一光功率探测器(8)，测得椭球面反射镜上第二光束的反射光强度；用第一光功率探测器(8)测量得到的光强数值除以第二光功率探测器(7)测量得到的光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率。
4.一种实现权利要求2所述利用椭球面反射镜测量的光栅衍射效率得到角度选择性曲线的系统，其特征在于包括激光器(1)、光束分束器(2)、扩束准直镜(9)，椭球面反射镜(6)、第二光功率探测器(7)和第一光功率探测器(8)；在激光器(1)的激光光路上设置光束分束器(2)，光束分束器(2)将激光器(1)发出的光束分为光强比为1∶1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器(7)测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜(9)，将其准直为直径小于1mm的平行光束，被测光栅设置在准直光束的光路上，椭球面反射镜(6)设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为椭球面反射镜的一个焦点，在椭球面反射镜的另一个焦点处设置第一光功率探测器(8)，测得椭球面反射镜上第二光束的反射光强度；将被测光栅置于旋转台(3)上，第一光功率探测器置于椭球面反射镜的另一焦点上，调整扩束准直镜后的平行光束照射到被测光栅上，转动旋转台(3)使得被测光栅上平行光束的入射角在0°到-80°或者0°到80°之间改变，改变量步进值小于2°，使用第一光功率探测器(8)在入射角从0°到-80°或者0°到80°之间改变时测得抛物面反射镜上第二光束的反射光强度；在每次变化中用第一光功率探测器(8)测量得到的光强数值除以第二光功率探测器(7)测量得到的光强的两倍，得到变化的被测光栅的系列衍射效率。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于：所述被测光栅为反射式光栅或透射式光栅。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141231 Termination date: 20170104 |