CN105928688B - 基于单次曝光模式的光栅衍射效率光谱的测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置,包括光源模块、参考光模块和测试光模块，光源模块为测试系统提供光源，参考光模块由凹面准直镜、标准参考光栅、凹面聚焦镜和线阵CCD探测器组成，用于测量参考光束的光谱参数；测试光模块由凹面准直镜、待测光栅、凹面聚焦镜和线阵CCD探测器组成，用于测量测试光束的光谱参数。本发明提高了光栅衍射效率光谱的测试速度，可以实现超快速的光栅衍射效率光谱的测量，可以应用于原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量环境中；在测量过程中，仪器的所有机械结构保持静止，测试系统因而具有较高的机械稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及平面光栅衍射效率光谱测量技术领域，特别是一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测试装置和方法。
背景技术
光栅是目前应用最广泛的色散元件，是各种光谱仪器的核心，而衍射效率是光栅最重要的性能指标之一，光栅衍射效率的准确测量对于评价光栅的性能、改进光栅加工工艺有着重要的意义。目前国际上普遍采用的光栅衍射效率光谱测量仪器如图1所示，主要包括光源1、单色器2，光阑3、起偏器4、分束器5、参考光探测器固定机架6、参考光探测器7、待测光栅固定机架8、待测光栅9、测试光探测器固定机架10、测试光探测器11和仪器壳体12。基于该测量系统，光栅衍射效率光谱测量的主要过程如下：
(1)在激光光源关闭的情况下测量参考光探测器和测试光探测器的暗场强度值；
(2)打开光源，在光路中不放置样品或者是加入参考样品；
(3)把单色器的工作波长设置为λ1，然后测量参考光探测器和测试光探测器的明场强度值；
(4)把单色器的工作波长依次设置为λ2,λ3……λn，重复步骤(3)，得到各个波长下参考光探测器和测试光探测器的明场强度值；
(5)加入待测光栅，把单色器的工作波长设置为λ1，然后用该单色光照射待测光栅，接着把测试光探测器固定机架旋转到待测光栅在波长λ1照射下衍射光束的出射方向处，最后测量此时参考光探测器和测试光探测器的信号强度值；
(6)把单色器的工作波长依次设置为λ2,λ3……λn，重复步骤(5)，得到各个波长下参考光探测器和测试光探测器的信号强度值；
(7)根据参考光探测器和测试光探测器的暗场强度值，以及各个波长下的明场强度值和信号强度值，分别计算波长为λ1,λ2,λ3……λn时，光栅的衍射效率，进而得到待测光栅的衍射效率光谱。
这种光栅衍射效率光谱测量装置和方法的主要缺点是：
1、探测系统每次只能完成一个波长下光栅衍射效率的测量，为了得到需求波段范围内光栅衍射效率的光谱曲线，单色器需要逐个波长扫描，探测器需要重复上百次的测量，光谱的测量速度因而非常缓慢(如测量脉冲压缩光栅在900—1100nm波段范围内的衍射效率光谱，需要3分钟左右的时间)；
2、在光栅衍射效率光谱的测量过程中，随着单色器工作波长的变化，光栅衍射光束的出射方向会跟着变化，测试光探测器的位置因而需要做出相应的改变，仪器内部的机械构件需要保持运动状态，因此测试仪器的机械稳定性较差；
3、由于测量过程中衍射光斑的移动和探测器的运动，光斑打在探测器上的位置也不可避免的存在漂移，因为探测器光敏面上的不同位置对入射光的响应度不同，这种漂移现象必然会带来不可忽略的测量误差。
发明内容
为了解决上述现有光栅衍射效率光谱测量装置和方法中存在的问题，本发明提供一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置和测量方法。
本发明的技术解决方案如下：
1、一种基于单次曝光模式的光栅衍射效率光谱的测量装置，其特征在于，包括由光源模块壳体(13)、参考光模块壳体(23)和测试光模块壳体(26)围成的三个封闭腔体，且光源模块壳体(13)与参考光模块壳体(23)通过第一狭缝相通，光源模块壳体(13)与测试光模块壳体(26)通过第二狭缝相通；以及设置在所述光源模块壳体(13)内的标定光源(14)、测量光源(15)、切光器(16)、滤光片(17)、偏振片(18)、光阑(19)和分束器(20)，设置在所述参考光模块壳体(23)内的参考线阵CCD探测器(21)、标准参考光栅(22)、参考凹面聚焦镜(24)和参考凹面准直镜(25)，设置在所述测试光模块壳体(26)内的测试线阵CCD探测器(27)、测试凹面聚焦镜(28)、待测光栅(29)和测试凹面准直镜(30)；
所述标定光源(14)和测量光源(15)发出的复色光波经切光器(16)选择后，照射在滤光片(17)上，接着出射光经偏振片(18)成为线偏振光后经光阑(19)后入射到分束器(20)，经分束器(20)分为参考光束和测试光束；
所述参考光束通过第一狭缝入射到参考凹面准直镜(25)上，变为平行光后照射在标准参考光栅(22)上，经标准参考光栅(22)的衍射，光束中不同波长的成份会以不同的角度照射在参考凹面聚焦镜(24)上，然后经过参考凹面聚焦镜(24)聚焦后，不同波长的成份会照射在参考线阵CCD探测器(21)的不同像素位置处；
所述测试光束通过第二狭缝入射在测试凹面准直镜(30)上，变为平行光后照射在待测光栅(29)上，经过待测平面反射光栅(29)的衍射，光束中不同波长的成份会以不同的角度照射在测试凹面聚焦镜(28)上，然后经过测试凹面聚焦镜(28)的聚焦后，不同波长的成份会照射在测试线阵CCD探测器(27)的不同像素位置处。
2、一种利用权利要求1所述的基于单次曝光模式的光栅衍射效率光谱的测量装置进行光栅衍射效率光谱的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
①在标定光源(14)和测试光源(15)关闭的情况下采集参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)的暗电流，对参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)进行暗电流矫正；
②通过切光器(16)选择标定光源(14)，根据参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)测量得到的信号，对光波波长与参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)上像素位置的函数关系进行多项式拟合，得到光波波长与参考线阵CCD探测器(21)上的像素位置的函数关系：
式中λ1为光波波长，p为像素位置，为0级系数因子，为1级系数因子，为2级系数因子，为3级系数因子。
以及光波波长与测试线阵CCD探测器(27)上像素位置的函数关系：
式中λ2为光波波长，p为像素位置，为0级系数因子，为1级系数因子，为2级系数因子，为3级系数因子。
③通过切光器(16)选择测试光源(15)，利用参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)测量标准参考光栅(22)和待测光栅(29)的衍射光斑，根据步骤②获取的光波波长与参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)上像素位置的函数关系，得到参考光束的光谱信息h1(λ)和测量光束光谱信息h2(λ)；
④根据分束器(20)固有的分光比光谱信息κ(λ)，标准参考光栅(22)固有的衍射效率光谱信息η1(λ)，以及参考线阵CCD探测器的光谱响应曲线τ1(λ)，测试线阵CCD探测器的光谱响应曲线τ2(λ)，参考凹面准直镜(25)的反射效率光谱参数(λ)，参考凹面聚焦镜(24)的反射效率光谱参数(λ)，测试凹面准直镜(30)的反射效率光谱参数(λ)，测试凹面聚焦镜(28)的反射效率光谱参数(λ)，计算得到待测光栅的衍射效率光谱为：
与现有普遍采用的光栅衍射效率光谱的测量装置和方法相比，本发明专利提出的测量装置和测量方法主要具有以下优点：
(1)本测量方案基于单次曝光模式，采用线阵CCD探测器直接测量待测光栅的衍射光谱信息，与传统的测试方案相比(探测系统每次只能完成一个波长下光栅衍射效率的测量，为了得到需求波段范围内光栅衍射效率的光谱曲线，单色器需要逐个波长扫描，探测器需要重复上百次的测量)，光栅衍射效率的测试速度因而得到了大大的提高，可以实现超快速的光栅衍射效率光谱的测量(能在毫秒量级和微秒量级完成光谱的测量)，该技术因而可以应用于原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量环境中(如测量光栅衍射效率光谱随环境温度的动态变化情况)
(2)与传统的光栅衍射效率光谱的测试方案相比(在测量过程中，随着光波波长的变化，光栅衍射光束的出射方向会跟着变化，探测器的位置因而需要做出相应的改变，仪器内部的机械构件需要保持断断续续的运动状态，因此测试仪器的机械稳定性较差)，利用本发明专利提出的测量方案，在测试光栅衍射效率的过程中，所有的机械构件始终处于静止状态，测试系统因而具有较好的机械稳定性。
附图说明
图1是利用传统方法测量平面反射光栅衍射效率光谱装置的结构图。
图2是本发明采用双光路结构测量平面反射光栅衍射效率光谱装置的结构图。
图3是本发明采用双光路结构测量平面透射光栅衍射效率光谱装置的结构图。
图4是本发明采用双光路结构测量平面反射光栅衍射效率光谱装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种基于单次曝光模式的光栅衍射效率光谱的测量装置，包括光源模块壳体13，标定光源14，测量光源15，切光器16，滤光片17，偏振片18，光阑19，分束器20，线阵CCD探测器21，标准参考光栅22，参考光模块壳体23，凹面聚焦镜24，凹面准直镜25，测试光模块壳体26，线阵CCD探测器27，凹面聚焦镜28，待测光栅29和凹面准直镜30。
光源模块壳体13和参考光模块壳体23均固定在测试光模块壳体26的一边，形成三个封闭的腔体，参考光模块壳体23与测试光模块壳体26均通过狭缝与光源模块壳体13相通；在光源模块壳体13内，标定光源14和测量光源15发出的复色光波经切光器16选择后，照射在滤光片17上，滤光片根据测量需要过滤掉入射复色光中特定波长的成份，接着出射光经过偏振片18后成为特定类型的线偏振光，光阑19起到过滤杂散光和限制光束口径的作用，线偏振光在经过分束器20后，产生一束参考光和一束测试光，参考光束通过狭缝入射到参考光模块壳体23内，测试光束通过狭缝入射到测试光模块壳体26内；在参考光模块壳体23内，通过狭缝入射进来的参考光束首先照射在凹面准直镜25上，变为平行光后照射在标准参考光栅22上，经过标准参考光栅22的衍射，光束中不同波长的成份会以不同的角度照射在凹面聚焦镜24上，然后经过凹面聚焦镜24的聚焦后，不同波长的成份会照射在线阵CCD探测器21的不同像素位置处；在测试光模块壳体26内，通过狭缝入射进来的测试光束首先照射在凹面准直镜30上，变为平行光后照射在待测光栅29上，经过待测平面反射光栅29的衍射，光束中不同波长的成份会以不同的角度照射在凹面聚焦镜28上，然后经过凹面聚焦镜28的聚焦后，不同波长的成份会照射在线阵CCD探测器27的不同像素位置处。
工作原理：
在如图2所示的光栅衍射效率光谱的测量装置中，标定光源14和测量光源15发出的复色光经切光器16选择后，依次传输通过滤光片17、偏振片18、光阑19和分束器20，然后形成一束参考光和一束测试光，参考光束通过狭缝入射到参考光模块壳体23内，测试光束通过狭缝入射到测试光模块壳体26内；在参考光模块壳体23内，通过狭缝入射进来的参考光束首先照射在凹面准直镜25上，变为平行光后照射在标准参考光栅22上，根据衍射光栅的光栅方程(此处以-1级反射光栅的衍射情况为例)：
p(sinα+sinβ)＝λ (1.7)
式中p为待测光栅的周期，α为入射角，β为衍射角，λ为单色光的波长，可以看出对于给定的标准参考光栅，在入射角α固定的情况下，光栅的衍射角β和入射光波长λ之间存在着一一对应的关系，不同的光波波长λ对应着不同的衍射角β，因此在复色光照射下，衍射光栅会把复色光中不同波长的组成成分以不同的衍射角度方向分开，形成一个扇形的衍射彩带，扇形的衍射彩带照射在凹面聚焦镜24上后，经过凹面聚焦镜24的聚焦，不同波长的成份会落在线阵CCD探测器21的不同像素位置处；在测试光模块壳体26内，通过狭缝入射进来的测试光束首先照射在凹面准直镜30上，变为平行光后照射在待测光栅29上，经过待测平面反射光栅29的衍射，光束中不同波长的成份会以不同的角度照射在凹面聚焦镜28上，然后经过凹面聚焦镜28的聚焦后，不同波长的成份会照射在线阵CCD探测器27的不同像素位置上去。
在测量过程中，首先利用切光器挡住测试光源，选择标定光源(标定光源发出几条由已知波长成份组成的复色光)，测量系统在标定光源的照射下，线阵CCD探测器21和线阵CCD探测器27会得到标准参考光栅和待测光栅的衍射光谱信息，经过多项式拟合，即可获取光波波长与线阵CCD探测器21和线阵CCD探测器27上像素位置的函数关系式；接着利用切光器16挡住标定光源，选择测试光源，测量系统在测试光源发出的复色光的照射下，线阵CCD探测器21和线阵CCD探测器27会获得标准参考光栅和待测光栅的衍射光谱信息，结合标定光源照射系统时得到的光波波长与线阵CCD探测器上像素位置的函数关系，即可计算得到测试光照射系统时参考光束和测试光束的光谱参数；最后根据分束器的固有分光比、标准参考光栅的衍射效率光谱和线阵CCD探测器的光谱响应曲线，计算得到待测光栅的衍射效率光谱。
基于如图2所示的光栅衍射效率光谱的测量装置，本发明专利同时提出了一种基于单次曝光模式的光栅衍射效率光谱的测量方法，主要包括以下步骤：
(1)在光源关闭的情况下采集线阵CCD探测器的暗电流，对线阵CCD探测器进行暗电流矫正；
(2)通过切光器选择标定光源，根据参考光线阵CCD探测器和测试光线阵CCD探测器测量得到的信号，对光波波长与参考光线阵CCD探测器和测试光线阵CCD探测器上像素位置的函数关系进行多项式拟合，得到光波波长与参考光线阵CCD探测器上的像素位置的函数关系：
以及光波波长与测试光线阵CCD探测器上像素位置的函数关系：
(3)通过切光器选择测试光源，利用参考光线阵CCD探测器和测试光线阵CCD探测器测量标准参考光栅和待测光栅的衍射光斑。根据步骤(2)获取的光波波长与参考光线阵CCD探测器和测试光线阵CCD探测器上像素位置的函数关系，计算得到参考光束的光谱信息h1(λ)和测量光束光谱信息h2(λ)。
(4)根据分束器固有的分光比信息(参考光的强度除以测试光的强度)κ(λ)，标准参考光栅固有的衍射效率光谱信息η1(λ)，以及线阵CCD探测器的光谱响应曲线τ1(λ)，τ2(λ)，凹面镜的反射效率光谱参数计算得到待测光栅的衍射效率光谱为：
实施例1：
图2是本发明采用双光路结构测量平面反射光栅衍射效率光谱装置的结构图，标定光源14为汞灯，光源15采用FemtoPower FP1060-20高功率超快光纤激光器，滤光片17采用Thorlabs公司FB700-40带通滤光片，起偏器18采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，光阑19采用Thorlabs公司ID20接杆安装可变光阑，分束器20采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2笼式立方体安装的薄膜分束器，第一线阵CCD探测器21和第二线阵CCD探测器27均采用日本滨松公司的S3901-2048Q线阵图像传感器，像素高度为2.5mm，像素宽度为25μm，在探测器宽度方向一共有2048个像素，探测器横向长度为65mm，标准参考光栅22采用1200线/mm的平面反射式闪耀光栅，待测光栅29为1740线/mm的平面反射光栅，第一凹面聚焦镜24、第一凹面准直镜25、第二凹面聚焦镜28和第二凹面准直镜30的材质均采用K9玻璃并镀膜，光源模块壳体13、切光器16、参考光模块壳体23和测量光模块壳体26均由上海联谊光纤激光器公司定制完成。
实施例2：
图3是基于本发明专利的思想，采用双光路结构，测量透射光栅衍射效率光谱装置的结构图，标定光源32为汞灯，光源33采用FemtoPower FP1060-20高功率超快光纤激光器，滤光片35采用Thorlabs公司FB700-40带通滤光片，起偏器36采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，光阑37采用Thorlabs公司ID20接杆安装可变光阑，分束器38采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2笼式立方体安装的薄膜分束器，第一线阵CCD探测器39和第二线阵CCD探测器46均采用日本滨松公司的S3901-2048Q线阵图像传感器，像素高度为2.5mm，像素宽度为25μm，在探测器宽度方向一共有2048个像素，探测器横向长度为65mm，标准参考光栅40采用1200线/mm的平面反射式闪耀光栅，待测光栅47为1740线/mm的平面透射光栅，第一凹面聚焦镜42、第一凹面准直镜43、第二凹面聚焦镜45和第二凹面准直镜48的材质均采用K9玻璃并镀膜，光源模块壳体31、切光器34、参考光模块壳体41和测量光模块壳体44均由上海联谊光纤激光器公司定制完成。
实施例3：
图4是基于本发明专利的思想，采用单光路结构，测量平面反射光栅衍射效率光谱装置的示意图，其中标定光源50为汞灯，光源51采用FemtoPower FP1060-20高功率超快光纤激光器，滤光片54采用Thorlabs公司FB700-40带通滤光片，光阑55采用Thorlabs公司ID20接杆安装可变光阑，起偏器56采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，线阵CCD探测器61采用日本滨松公司的S3901-2048Q线阵图像传感器，像素高度为2.5mm，像素宽度为25μm，在探测器宽度方向一共有2048个像素，探测器横向长度为65mm，标准参考光栅58采用1200线/mm的平面反射式闪耀光栅，待测光栅59为1740线/mm的平面反射光栅，凹面准直镜60和凹面聚焦镜62的材质均采用K9玻璃并镀膜，稳压器52、切光器53、光源模块壳体49和测量光模块壳体57均由上海联谊光纤激光器公司定制完成。
与实施例1和实施例2中采用的双光路测量结构相比，实施例3中采用的单光路结构的优点是仪器构架简单，成本低，适用于光源出射功率稳定性较高情况下的测量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于单次曝光模式的光栅衍射效率光谱的测量装置，其特征在于，包括由光源模块壳体(13)、参考光模块壳体(23)和测试光模块壳体(26)围成的三个封闭腔体，且光源模块壳体(13)与参考光模块壳体(23)通过第一狭缝相通，光源模块壳体(13)与测试光模块壳体(26)通过第二狭缝相通；以及设置在所述光源模块壳体(13)内的标定光源(14)、测量光源(15)、切光器(16)、滤光片(17)、偏振片(18)、光阑(19)和分束器(20)，设置在所述参考光模块壳体(23)内的参考线阵CCD探测器(21)、标准参考光栅(22)、参考凹面聚焦镜(24)和参考凹面准直镜(25)，设置在所述测试光模块壳体(26)内的测试线阵CCD探测器(27)、测试凹面聚焦镜(28)、待测光栅(29)和测试凹面准直镜(30)；
所述标定光源(14)和测量光源(15)发出的复色光波经切光器(16)选择后，照射在滤光片(17)上，接着出射光经偏振片(18)成为线偏振光后经光阑(19)后入射到分束器(20)，经分束器(20)分为参考光束和测试光束；
所述参考光束通过第一狭缝入射到参考凹面准直镜(25)上，变为平行光后照射在标准参考光栅(22)上，经标准参考光栅(22)的衍射，光束中不同波长的成份会以不同的角度照射在参考凹面聚焦镜(24)上，然后经过参考凹面聚焦镜(24)聚焦后，不同波长的成份会照射在参考线阵CCD探测器(21)的不同像素位置处；
所述测试光束通过第二狭缝入射在测试凹面准直镜(30)上，变为平行光后照射在待测光栅(29)上，经过待测平面反射光栅(29)的衍射，光束中不同波长的成份会以不同的角度照射在测试凹面聚焦镜(28)上，然后经过测试凹面聚焦镜(28)的聚焦后，不同波长的成份会照射在测试线阵CCD探测器(27)的不同像素位置处。
2.一种利用权利要求1所述的基于单次曝光模式的光栅衍射效率光谱的测量装置进行光栅衍射效率光谱的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
①在标定光源(14)和测试光源(15)关闭的情况下采集参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)的暗电流，对参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)进行暗电流矫正；
②通过切光器(16)选择标定光源(14)，根据参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)测量得到的信号，对光波波长与参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)上像素位置的函数关系进行多项式拟合，得到光波波长与参考线阵CCD探测器(21)上的像素位置的函数关系：
式中λ1为光波波长，p为像素位置，为0级系数因子，为1级系数因子，为2级系数因子，为3级系数因子；
以及光波波长与测试线阵CCD探测器(27)上像素位置的函数关系：
式中λ2为光波波长，p为像素位置，为0级系数因子，为1级系数因子，为2级系数因子，为3级系数因子；
③通过切光器(16)选择测试光源(15)，利用参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)测量标准参考光栅(22)和待测光栅(29)的衍射光斑，根据步骤②获取的光波波长与参考线阵CCD探测器(21)和测试线阵CCD探测器(27)上像素位置的函数关系，得到参考光束的光谱信息h1(λ)和测量光束光谱信息h2(λ)；
④根据分束器(20)固有的分光比光谱信息κ(λ)，标准参考光栅(22)固有的衍射效率光谱信息η1(λ)，以及参考线阵CCD探测器的光谱响应曲线τ1(λ)，测试线阵CCD探测器的光谱响应曲线τ2(λ)，参考凹面准直镜(25)的反射效率光谱参数参考凹面聚焦镜(24)的反射效率光谱参数测试凹面准直镜(30)的反射效率光谱参数测试凹面聚焦镜(28)的反射效率光谱参数计算得到待测光栅的衍射效率光谱为：
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