CN103245488A

CN103245488A - 一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪

Info

Publication number: CN103245488A
Application number: CN2013101135590A
Authority: CN
Inventors: 陈少杰; 曹海霞; 齐向东; 巴音贺希格; 崔继承; 唐玉国; 朱文煜
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: CN103245488B

Abstract

一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，涉及光谱技术领域，解决现有光栅衍射效率测试仪无法实现宽波段范围内衍射效率的测量的问题，包括光源系统、前置单色仪、测量单色仪、探测系统和控制器；第一平面反射镜和第二平面反射镜和聚光镜；前置单色仪包括第一凹面准直镜、分光光栅组、第一转台、第一凹面成像镜和前置单色仪壳体；测量单色仪包括第二入射狭缝、第二凹面准直镜、第二转台、第二凹面成像镜和测量单色仪壳体；探测系统分别获取参考平面反射镜与待测平面光栅的衍射光通量，对待测平面光栅的衍射光通量与参考平面反射镜的反射光通量求比值，获得待测平面光栅的衍射效率。该衍射效率测试仪能够满足大口径平面光栅衍射效率的测量。

Description

一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，具体涉及一种宽波段大尺寸的平面光栅衍射效率测试仪。

背景技术

衍射光栅（以下简称光栅）是光谱分析仪器的核心元件。衍射效率是评价光栅性能最为重要的技术指标之一，也是评价光谱仪器能量传输特性的基本因素。衍射效率分为绝对衍射效率和相对衍射效率。在实际测量中，衍射效率通常指的是相对衍射效率，即探测器接收到的给定级次和波长的衍射光通量与接收到的标准反射镜的反射光通量之比。同一块光栅对于某一波长λ的不同衍射级次的衍射效率是不同的。光栅客户往往对所需求的光栅提出要求，要求光栅的衍射效率在某一波长λ的第m级次必须达到规定的技术指标要求，所以光栅的研制和生产单位，对它所研制、生产出的光栅要进行光栅衍射效率的测试。

世界上研制或生产光栅的国家对光栅衍射效率的测量都建立了相应的测试方法，并研制出测试仪器。在测试仪器中普遍采用双单色仪的结构形式，与本发明最为接近的已有技术，是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制开发的全自动平面光栅衍射效率测试仪，结合图1，所述的结构包括光源外光路、前置单色仪、测量单色仪和控制器17。光源外光路包括钨灯1、氘灯2、聚光镜3；前置单色仪包括第一入射狭缝4、第一凹面准直镜5、分光光栅6、第一反射聚光镜7、前置单色仪壳体8；测量单色仪包括第二入射狭缝9、第二凹面准直镜10、被测平面光栅11或参考平面反射镜12、光栅转台13、第二反射聚光镜14、测量单色仪壳体18、出射狭缝15、光电倍增管16和控制器17。从图1所示的结构可知，光源外光路和前置单色仪为测量提供单色光，控制器17控制分光光栅6和待测平面光栅11的连续转动角速度，使前置单色仪和测量单色仪输出同一波长单色光。光电倍增管16分别接收来自待测平面光栅11的衍射光和参考平面反射镜12的反射光，并计算他们的比值。当测量下一波长时，控制分光光栅6和待测平面光栅11的转动角度，实现不同波长衍射效率的测量。

但由于探测器发展水平的限制，该结构形式的光栅衍射效率测试仪的光谱范围仅为200nm-1100nm，无法实现光栅在1100nm-2500nm波段范围内衍射效率的测量。而且，现有的衍射效率测试仪无法实现较大尺寸光栅的全口径衍射效率的测量。

发明内容

本发明为解决现有光栅衍射效率测试仪无法实现光栅在1100nm-2500nm波段范围内衍射效率的测量以及无法实现较大尺寸光栅的全口径衍射效率的测量的问题，提供一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪。

一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，包括光源系统、前置单色仪、测量单色仪、探测系统和控制器；所述光源包括钨灯、氘灯、第一平面反射镜和第二平面反射镜和聚光镜；所述前置单色仪包括第一入射狭缝、第一凹面准直镜、分光光栅组、第一转台、第一凹面成像镜、第一出射狭缝和前置单色仪壳体；所述测量单色仪包括第二入射狭缝、第二凹面准直镜、第二转台、第二凹面成像镜、第二出射狭缝和测量单色仪壳体；所述钨灯和氘灯发出的光束分别经第一平面反射镜和第二平面反射镜反射到聚光镜上，经聚光镜反射后的光束再经第一入射狭缝聚焦后入射到第一凹面准直镜，经第一凹面准直镜准直的光束反射到分光光栅组，所述分光光栅组固定在第一转台上，经分光光栅组分光后光束入射至第一凹面成像镜，所述经第一凹面成像镜反射的光束依次经第一出射狭缝、透镜组、第二入射狭缝和第二凹面准直镜后入射至参考平面反射镜，所述参考平面反射镜安装在第二转台上，所述控制器控制第二转台的运动，经参考平面反射镜反射的光束入射到第二凹面成像镜，经第二凹面成像镜的光束由第二出射狭缝出射后被探测系统接收，所述探测系统获取参考平面反射镜的反射光通量；将待测平面光栅替换参考平面反射镜放置在第二转台上，经第二凹面准直镜后的光束入射至待测平面光栅，经待测平面光栅衍射后的光束经第二凹面成像镜和第二出射狭缝后被探测系统接收；探测系统获取待测平面光栅的衍射光通量，对待测平面光栅的衍射光通量与参考平面反射镜的反射光通量求比值，获得待测平面光栅的衍射效率。

本发明的工作原理：首先需要准备与待测光栅相同尺寸的反射镜作为参考平面反射镜，将参考平面反射镜放到第二转台上面，根据待测波长调整聚光镜，使得钨灯或氘灯成像在第一入射狭缝处。透过第一入射狭缝，入射光线照射到第一凹面准直镜上形成平行光，平行光线经过分光光栅组中的某一光栅分光后，改变传播方向照射到第一凹面成像镜上，经第一凹面成像镜聚焦到前置单色仪的第一出射狭缝上，光束经透镜组，入射到测量单色仪的第二入射狭缝上，透过测量单色仪的第二入射狭缝，入射光线照射到第二凹面准直镜上，经第二凹面准直镜反射变成平行光照射到待测平面光栅上，第二转台在控制器的控制下能在方位、俯仰、滚转三个自由度上做精确调整，由测量单色仪的第二出射狭缝处出射的光束由光电倍增管接收，通过读取并记录光电倍增管的示数获得参考平面反射镜的反射光通量；然后将待测平面光栅和参考平面反射镜置换，将待测平面光栅放置到第二转台的同一位置处，其他部件保持不动，由测量单色仪的第二入射狭缝发出的光经第二凹面准直镜反射后照射在待测平面光栅上，启动控制器重新调整第二转台，使得待测平面光栅转动到测量波长的对应位置，此时，经待测平面光栅衍射后，经第二凹面成像镜反射后，待测平面光栅的衍射光通量由探测系统接收，读取并记录数据；将待测平面光栅的衍射光通量与参考平面反射镜的反射光通量做比值，即得待测平面光栅在此测量波长下的衍射效率。

本发明的积极效果：本发明针对工业生产中对大尺寸平面光栅的需要，设计了一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，为平面光栅主要性能的测量提供了测量设备。该衍射效率测试仪能够满足≤152mm×190mm的200nm-2500nm平面光栅衍射效率的测量。同时，该设备中的透镜组，具有可拆卸的宽波段的偏振片，利用本测试仪也可实现光栅偏振衍射效率的测试，真正实现了一机多用。

附图说明

图1为现有平面光栅衍射效率测试仪的结构示意图；

图2为本发明所述的一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪的示意图；

图3为本发明所述的一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪中分光光栅组的结构图。

图中：1、钨灯，2、氘灯，3、聚光镜，4、第一入射狭缝，5、第一凹面准直镜，6、分光光栅，7、第一反射聚光镜，8、前置单色仪壳体，9、第二入射狭缝，10、第二凹面准直镜，11、待测平面光栅，12、参考平面反射镜，13、光栅转台，14、第二反射聚光镜，15、出射狭缝，16、光电倍增管，17、控制器，18、测量单色仪壳体，19、第一平面反射镜，20、第二平面反射镜，21、第一凹面成像镜，22、第一转台，23、分光光栅组，24、第一出射狭缝，25、透镜组，26、第二转台，27、第二凹面成像镜，28、第二出射狭缝，29、上层平台。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2和图3说明本实施方式，一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，包括光源系统、前置单色仪、测量单色仪、探测系统和控制器17；所述光源包括钨灯1、氘灯2、第一平面反射镜19和第二平面反射镜20和聚光镜3；所述前置单色仪包括第一入射狭缝4、第一凹面准直镜5、分光光栅组23、第一转台22、第一凹面成像镜21、第一出射狭缝24和前置单色仪壳体8；所述测量单色仪包括第二入射狭缝9、第二凹面准直镜10、第二转台26、第二凹面成像镜27、第二出射狭缝28和测量单色仪壳体18；在前置单色仪壳体8外的光源系统中，聚光镜3的前方两侧分别安置有光源钨灯1和氘灯2，钨灯1和氘灯2发出的光线分别经第一平面反射镜19和第二平面反射镜20反射到聚光镜3上，再经聚光镜3反射后，在前置单色仪壳体8的第一入射狭缝4处聚焦并入射到前置单色仪中；在聚光镜3和第一入射狭缝424形成的光路光轴上，在前置单色仪壳体8内安置有第一凹面准直镜5，在第一凹面准直镜5反射平行光束的传播方向上放置分光光栅组23，分光光栅组23安装在第一转台22上，在分光光栅组23的反射光束传播方向上放置有第一凹面成像镜21，第一凹面成像镜21的反射光束打在前置单色仪的第一出射狭缝24处，从第一出射狭缝24出射的光束经透镜组25与测量单色仪的第二入射狭缝9进入测量单色仪中；在测量单色仪的壳体内，第二凹面准直镜10安置在第二入射狭缝9和透镜组25的光路光轴上，在第二凹面准直镜10的反射平行光束上安装有第二转台26，在第二转台26上放置参考平面反射镜12，在参考平面反射镜12的反射光束传播的方向上，置有第二凹面成像镜27，第二出射狭缝28位于第二凹面成像镜27的反射光束的光路上，且位于第二凹面成像镜27的焦面上；在第二转台26上放置参考平面反射镜12的位置，当需要置换待测光栅时，待测光栅就放置在第二转台26上放置参考平面反射镜12的位置上。在第二凹面成像镜27的反射光路的传播方向上置有探测系统。探测系统的测量结果和衍射效率的计算由控制器17计算处理并显示。

本实施方式通过切换光源和前置单色仪的分光光栅组23中光栅的切换，前置单色仪可以提供200-2500nm的单色光的输出，从而实现平面光栅宽波段衍射效率的测量；所述分光光栅组23中的光栅要进行切换和扫描两种运动，在前置单色仪内部采用上下两层可以旋转的平台结构，上层平台用来实现三块光栅的切换运动，下层平台用来实现单块光栅的扫描运动；前置单色仪每次切换之后需要对单色仪的波长进行标定，保证所有波段衍射效率测试的准确性；

本实施方式所述的宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪设计过程中，前置单色仪壳体8内部和测量单色仪壳体18采用均匀涂黑并进行粗糙面处理。同时，根据光学结构特点，在系统内部各元件处增加光阑，从而有效的抑制了系统杂散光，对降低系统检出限、提高系统信噪比有明显效果；所述的测量单色仪中采用大尺寸的准直镜与成像镜的设计，使得该仪器能够实现大尺寸平面光栅（≤152mm×190mm）衍射效率的测量；

本实施方式所述的探测系统中用于采集200-900nm测量数据的光电倍增管16与用于采集800-3000nm测量数据的光电倍增管16可实现自动切换。本实施方式能够实现200nm-2500nm宽波段范围的大尺寸平面光栅（≤152mm×190mm）衍射效率的测量。

本实施方式所述的用于把光束从前置单色仪传输到测量单色仪中的连接件透镜组25中具有可拆卸的宽波段的偏振片，所述的宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪亦可实现待测光栅偏振光的衍射效率测量。

结合图3说明本实施方式，前置单色仪中用于控制分光光栅组23的第一转台采用上下两层可以旋转的平台结构，实现光栅切换的上层平台29用来实现三块平面光栅的切换运动，为等边三角形上层平台29；下层平台用来实现单块平面光栅的扫描运动，其中，分光光栅a、分光光栅b和分光光栅c，O₁、O₂和O₃分别为每块分光光栅基底的顶点，第一转台22为实现单块光栅扫描的下层平台，C₁为上层平台29的中心点，C₂为第一转台22内步进电机转轴中心线与平面光栅a对称平面的交点。三块平面光栅切换到工作位置时，其基底顶点均要求与C₂点重合。

本实施方式所述的钨灯1采用飞利浦20W，0～12V的钨灯1；氘灯2采用北京曙光明DL2.5型氘灯2。聚光镜3、第一凹面准直镜5、第一凹面成像镜21的基底材质均采用K9玻璃，表面镀铝，焦距f=102mm。第一入射狭缝4的材质采用45#钢片，狭缝宽度0.1～2mm可调，高度为5mm。分光光栅组23中的光栅分别为300线/毫米、600线/毫米、1200线/毫米的平面光栅。前置单色仪壳体8、测量单色仪壳体18的材质均采用铝，厚度为6mm压制而成。第一转台22和第二转台26的材质采用铝，采用丝杠进行精确控制。第二转台26的尺寸应大于参考平面反射镜12和待测平面光栅11的尺寸。待测平面光栅11为任意刻线数的平面反射光栅。参考平面反射镜12的基地材料采用K9光学玻璃，表面镀铝。探测系统中的两个光电倍增管16分别采用高灵敏度、低噪声的H10722-20和P4638实现对200-900nm波段与800-3000nm波段数据的测量，控制板块采用PCI9111实现智能化控制与信号采集。

Claims

1.一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，包括光源系统、前置单色仪、测量单色仪、探测系统和控制器（17）；所述光源包括钨灯（1）、氘灯（2）、第一平面反射镜（19）和第二平面反射镜（20）和聚光镜（3）；所述前置单色仪包括第一入射狭缝（4）、第一凹面准直镜（5）、分光光栅组（23）、第一转台（22）、第一凹面成像镜（21）、第一出射狭缝（24）和前置单色仪壳体（8）；所述测量单色仪包括第二入射狭缝（9）、第二凹面准直镜（10）、第二转台（26）、第二凹面成像镜（27）、第二出射狭缝（28）和测量单色仪壳体（18）；其特征是，所述钨灯（1）和氘灯（2）发出的光束分别经第一平面反射镜（19）和第二平面反射镜（20）反射到聚光镜（3）上，经聚光镜（3）反射后的光束再经第一入射狭缝（4）聚焦后入射到第一凹面准直镜（5），经第一凹面准直镜（5）准直的光束反射到分光光栅组（23），所述分光光栅组（23）固定在第一转台（22）上，经分光光栅组（23）分光后光束入射至第一凹面成像镜（21），所述经第一凹面成像镜（21）反射的光束依次经第一出射狭缝（24）、透镜组（25）、第二入射狭缝（9）和第二凹面准直镜（10）后入射至参考平面反射镜（12），所述参考平面反射镜（12）安装在第二转台（26）上，所述控制器（17）控制第二转台（26）的运动，经参考平面反射镜（12）反射的光束入射到第二凹面成像镜（27），经第二凹面成像镜（27）的光束由第二出射狭缝（28）出射后被探测系统接收，所述探测系统获取参考平面反射镜（12）的反射光通量；将待测平面光栅（11）替换参考平面反射镜（12）放置在第二转台（26）上，经第二凹面准直镜（10）后的光束入射至待测平面光栅（11），经待测平面光栅（11）衍射后的光束经第二凹面成像镜（27）和第二出射狭缝（28）后被探测系统接收；探测系统获取待测平面光栅（11）的衍射光通量，对待测平面光栅（11）的衍射光通量与参考平面反射镜（12）的反射光通量求比值，获得待测平面光栅（11）的衍射效率。

2.根据权利要求1所述的一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，其特征在于，所述第一转台（22）包括上下两层旋转的平台结构，上层平台（29）用来实现三块光栅的切换运动，下层平台用来实现每块平面光栅的扫描运动。

3.根据权利要求1所述的一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，其特征在于，所述第一入射狭缝（4）和第一出射狭缝（24）设置在前置单色仪的壳体上；第二入射狭缝（9）和第二出射狭缝（28）设置在测量单色仪的壳体上；前置单色仪壳体（8）和测量单色仪壳体（18）内部均作涂黑和粗糙面的处理。

4.根据权利要求1所述的一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，其特征在于，所述探测系统包括用于测量200-900nm的光电倍增管（16）和用于测量800-3000nm的光电倍增管（16），并且两个光电倍增管（16）实现自动切换。

5.根据权利要求1所述的一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，其特征在于，所述透镜组（25）中包括可拆卸的宽波段的偏振片，用于实现对待测平面光栅（11）偏振光的衍射效率的测量。

6.根据权利要求1所述的一种宽波段大尺寸平面光栅衍射效率测试仪，其特征在于，所述控制器（17）控制第二转台（26）在方位、俯仰和滚转三个自由度的调整。