CN106441823B - 光栅的线密度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光栅的线密度测量方法，激光光源发出的激光经过光纤耦合器耦合后，经过单模2x2光纤耦合器耦合和光纤准直器准直后，照射到待测光栅表面后发生衍射，产生不同级次的衍射光，通过利用光纤减小激光照射到光栅上的照射面积，分别测得光栅测量点的0级和1级衍射光沿入射方向返回，两者之间的角度差刚好为1级衍射角α。根据测得的两束衍射光的角度差进行计算，得出刻线密度。测量稳定性高，光斑尺寸小，准直性好，测量精度高。在实际操作过程中，只需要将待测光栅置于电动位移台上，调节电动旋转台的角度位置，可得出待测光栅子午面上各个测量点的刻线密度。本发明即可对光栅更高精度的线密度测量，可用于平面光栅或曲率半径较大的凹面光栅。

Description

光栅的线密度测量方法
技术领域
本发明涉及一种光谱技术，特别涉及一种光栅的线密度测量方法。
背景技术
作为一种重要的分光元件，光栅在光谱技术领域占有举足轻重的地位。它不仅在小型的光谱仪器中得以广泛的应用，在同步福射单色器中也广泛使用在软X射线、真空紫外波段。
常用的几种测光栅线密度的方法主要有干涉测量法，莫尔条纹法，长程面型仪法以及衍射法。其中前三种测量方法的测量精度相对较低，而且具有一定的使用限制。利用衍射原理来对光栅的线密度进行测量，在测量精度方面更具优势。传统的衍射法一般是采用CCD或者光斑探测器对衍射光斑进行定位，其测量原理是利用激光打在光栅上产生的衍射光，通过电动旋转台带动光栅转动，分别使得光栅的0级和1级衍射光沿着原入射方向返回，记录下它们的位置，代入光栅方程sin(α)+sin(β)=Kλ/d便可以计算得到该点处的刻线密度1/d。其中，α=β，K=1，故有1/d=2 sin(α)/λ 。由于直接从激光器发出来的激光有一定的尺寸大小，而激光打到光栅上的光点面积大小对最终的线密度测量精度有着重要的影响。
发明内容
本发明是针对目前光栅线密度测试方法中存在的缺陷以及精度问题，提出了一种光栅的线密度测量方法，通过利用光纤减小激光照射到光栅上的照射面积，并分别使得光栅测量点的0级和1级衍射光沿入射方向返回，两者之间的角度差刚好为1级衍射角α。根据测得的两束衍射光的角度差进行计算，得出该点处的刻线密度1/d=2 sin(α)/λ。该系统稳定性高，光斑尺寸小，准直性好，测量精度高，应用范围广。
本发明的技术方案为：一种光栅的线密度测量方法，具体包括如下步骤：
1）测试系统包括激光光源、光纤耦合器、单模2x2光纤耦合器、光纤功率计、光纤准直器、电动旋转台和电动直线位移平台，待测光栅固定在电动直线位移平台上，单模2x2光纤耦合器有4个端口P1、P2、P3和P4， 中间为耦合段，激光光源发出的激光经过光纤耦合器耦合后，进入单模2x2光纤耦合器的端口P1，传到端口P3 的激光经光纤准直器准直后，照射到待测光栅表面后发生衍射，产生不同级次的衍射光；
2）调整电动直线位移平台，找到0级衍射光之后，转动电动直线位移平台下方的电动旋转台，转到合适的位置使得0级衍射光能沿着原入射光的方向返回，待0级衍射光原路返回后，再次通过光纤准直器，进入单模2x2光纤耦合器的端口P3，经由端口P3回传的光将分成两路，一路传到端口P1，并经由光纤耦合器输出，回到激光器上；另一路传到端口P2，输出到与之相连接的光纤功率计上，再次调整电动旋转台的角度，当光纤功率计的读数达到可调范围内的最大值时，停止转动电动旋转台，并记下此时电动旋转台的度数，此为0级衍射光自准直回去的位置θ 0；
3）重复步骤2）得到n级衍射光自准直回去的位置θ n，θ n-θ 0为待测光栅待测点的n级衍射角αn，待测光栅待测点的线密度大小为1/d=2 sin(αn)/λ，λ为激光光源输出中心波长。
所述电动直线位移平台在0~100mm的范围内连续移动，用于改变待测光栅的测量点位置。
所述固定在电动直线位移平台下方的电动旋转台360°连续转动，通过转动使特定级次的衍射光能沿着入射方向返回。
所述光纤耦合器、单模2x2光纤耦合器和光纤准直器为与激光光源中心波长相对应的耦合/准直器。
所述激光光源中心波长与待测光栅周期之间需满足d≥λ/2的条件。
本发明的有益效果在于：本发明光栅的线密度测量方法，稳定性高，光斑尺寸小，准直性好，测量精度高，应用范围广。在实际操作过程中，只需要将待测光栅置于电动位移台上，调节电动旋转台的角度位置，根据测得的0级和1级衍射光之间的夹角进行计算，得出待测光栅子午面上各个测量点的刻线密度。本发明能实现对光栅更高精度的线密度测量，可用于平面光栅或曲率半径较大的凹面光栅。
附图说明
图1为本发明光栅刻线密度测量系统的结构示意图。
具体实施方式
图1所示为本发明实施例所提供的一种光栅线密度测量系统，包括激光光源1、光纤耦合器2、单模2x2光纤耦合器3、光纤功率计4、光纤准直器5、电动旋转台6、电动直线位移平台7和待测光栅8。
激光光源1发出的激光经过光纤耦合器2耦合后，进入单模2x2光纤耦合器3的端口P1，单模2x2光纤耦合器3有4个端口P1、P2、P3和P4， 中间为耦合段，激光将从端口P1分别传输到端口P3和端口P4，传到端口P4的那部分激光会损失掉，而传到端口P3 的激光经光纤准直器5准直后，会照射到待测光栅8表面。激光打在固定在电动直线位移平台7的待测光栅8表面后发生衍射，产生不同级次的衍射光。通过观察0级衍射光的位置，找到0级衍射光之后，转动电动直线位移平台7下方的电动旋转台6，转到合适的位置使得0级衍射光能沿着原入射光的方向返回。待0级衍射光原路返回后，再次通过光纤准直器5，进入单模2x2光纤耦合器3的端口P3，经由端口P3回传的光将分成两路，一路传到端口P1，并经由光纤耦合器2输出，回到激光器上；另一路传到端口P2，输出到与之相连接的光纤功率计4上。通过监测光纤功率计4的读数大小，调整电动旋转台6的角度，当光纤功率计4的读数达到可调范围内的最大值时，停止转动电动旋转台6，并记下此时电动旋转台6的度数，此为0级衍射光自准直回去的位置。
同样的方法，再观察1级衍射光的位置，找到1级衍射光之后，转动电动直线位移平台7下方的电动旋转台6，转到合适的位置使得1级衍射光能沿着原入射光的方向返回。待1级衍射光原路返回后，再次通过光纤准直器5，进入单模2x2光纤耦合器3的端口P3，经由端口P3回传的光将分成两路，一路传到端口P1，并经由光纤耦合器2输出，回到激光器上；另一路传到端口P2，输出到与之相连接的光纤功率计4上。通过监测光纤功率计4的读数大小，调整电动旋转台6的角度，当光纤功率计4的读数达到可调平面范围内的最大值时，停止转动电动旋转台6，同样记下此时电动旋转台6的度数，此为1级衍射光自准直回去的位置。电动旋转台6从0级衍射光自准直回去的位置到1级衍射光自准直回去的位置所转过的角度即为光栅待测点的1级衍射角α，代入公式即可得出该点的线密度大小为1/d=2 sin(α)/λ，λ为激光光源输出中心波长。不同的待测光栅8有不同的衍射特性，该实验可以根据待测光栅8的不同来选择激光光源1、光纤耦合器2、单模2x2光纤耦合器3和光纤准直器4。
待测光栅所固定的一维电动直线位移平台可以在0～100mm的范围内连续移动，用于改变光栅的测量点位置。
固定在电动直线位移平台7下方的电动旋转台6可以360°连续转动，通过转动使特定级次的衍射光能沿着入射方向返回。
光纤耦合器2、单模2x2光纤耦合器3和光纤准直器4为与激光光源1中心波长相对应的高效超稳定耦合/准直器，激光光源1的选择有赖于待测光栅8的刻线密度。
在下面的光栅刻线密度测量实施实例中，以输出中心波长为632.8nm的激光器、待测光栅为600线/mm的常间距平面光栅为例，其它光栅与该测量的实施方法一致。
激光器输出中心波长为632.8nm、待测光栅为常间距平面光栅，以测量平面光栅的线密度为例，具体实现光栅线密度测量的过程如下：如图1所示，由激光光源1、光纤耦合器2(FC/PC，f=15.4mm)、光纤准直器5（FC/PC，f=2mm）、单模2x2光纤耦合器3（632±15纳米，耦合比为50：50）、光纤功率计4（可探测波段范围：400～1100nm，功率范围：1 nW～40 mW）、电动直线位移平台7（分辨率：0.00125mm）、电动旋转台6（分辨率：0.00125°）、待测光栅为常间距平面光栅8组成。激光光源1发出的激光脉冲经过光纤耦合器2耦合后，进入单模2x2光纤耦合器3的端口P1，激光将从端口P1分别向端口P3和端口P4输出，传到端口P4的那部分激光会直接在空气中损失掉，而传到端口P3 的激光经光纤准直器5准直后，照射到待测常间距平面光栅8表面。由于直接从激光器发出的光斑约3mm，而从光纤传出来的光束经过光纤准直器准直后打到光栅表面的光斑尺寸只有0.33mm，明显的小于直接从激光器发出的光斑，光斑尺寸的减小对提高整个测试系统的测量精度有着重大的影响。而后，激光在待测常间距平面光栅8表面发生衍射，产生不同级次的衍射光。这个时候我们可以转动电动旋转台6，当入射光垂直于待测常间距平面光栅8表面时，这个时候的0级衍射光与入射光重合，可以观察到其它正负级次的衍射光对称分布在0级衍射光两侧。而离待测光栅测量点的0级衍射光最近的便是+1、-1级衍射光。0级衍射光原路返回后，再次通过光纤准直器5，进入单模2x2光纤耦合器3的端口P3，经由端口P3回传的光将分成两路，一路传到端口P1，并经由光纤耦合器2输出，回到激光器上；另一路传到端口P2，输出到与之相连接的光纤功率计4上。由于我们实验中所选用的光纤的纤芯直径很小，大约只有3～5μm，因此只有当0级衍射光严格沿着原入射方向返回时才能够进入到光纤里面去，最终被光纤功率计4检测到，这样做的目的在于提高对角度的测量精度。光纤功率计最小能够检测到1nW的光强，因此只要衍射光能沿着原入射方向返回，即使返回来的光强很微弱依旧能够检测得到。我们通过监测光纤功率计4的读数大小，对电动旋转台6进行微调，使光纤功率计4的读数达到一个最大值时，停止转动电动旋转台6，并记下此时电动旋转台6的度数θ1。接下来，选择+1和-1级衍射光其中的任一束作为下一步测量的对象，通过转动电动旋转台6使其像0级衍射光一样沿着入射方向返回并能被光纤功率计4检测到光强的大小，当光纤功率计4的读数达到一个最大值时，停止转动电动旋转台6，记下此时电动旋转台6的度数θ2。毫无疑问地，这时我们便可以计算得到1级衍射角，它的大小为（θ2—θ1） ，将其带入光栅方程，就能精确得到该点的光栅线密度1/d=2 sin(θ2—θ1)/λ。其中，λ=632.8nm。
本发明实施例可用于大曲率半径的凹面光栅或平面光栅的线密度测量，测量时将待测光栅8放置在电动直线平移台7上，转动电动旋转台6调整角度，分别使得待测光栅8产生的0级和1级衍射光沿着原入射方向返回到光纤准直器5上，并通过与单模2x2光纤耦合器3的端口P2相连接的光纤功率计4的读数来观测衍射光的返回情况。通过电动直线平移台7带动待测光栅8平移，便能实现对待测光栅8上不同位置的线密度的精确测量。

Claims (5)

1.一种光栅的线密度测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）测试系统包括激光光源、光纤耦合器、单模2x2光纤耦合器、光纤功率计、光纤准直器、电动旋转台和电动直线位移平台，待测光栅固定在电动直线位移平台上，单模2x2光纤耦合器有4个端口P1、P2、P3和P4，中间为耦合段，激光光源发出的激光经过光纤耦合器耦合后，进入单模2x2光纤耦合器的端口P1，传到端口P3 的激光经光纤准直器准直后，照射到待测光栅表面后发生衍射，产生不同级次的衍射光；
2）调整电动直线位移平台，找到0级衍射光之后，转动电动直线位移平台下方的电动旋转台，转到合适的位置使得0级衍射光能沿着原入射光的方向返回，待0级衍射光原路返回后，再次通过光纤准直器，进入单模2x2光纤耦合器的端口P3，经由端口P3回传的光将分成两路，一路传到端口P1，并经由光纤耦合器输出，回到激光器上；另一路传到端口P2，输出到与之相连接的光纤功率计上，再次调整电动旋转台的角度，当光纤功率计的读数达到可调范围内的最大值时，停止转动电动旋转台，并记下此时电动旋转台的度数，此为0级衍射光自准直回去的位置θ 0；
3）重复步骤2）得到n级衍射光自准直回去的位置θ n，θ n-θ 0为待测光栅待测点的n级衍射角αn，待测光栅待测点的线密度大小为1/d=2 sin(αn)/λ，λ为激光光源输出中心波长。
2.根据权利要求1所述光栅的线密度测量方法，其特征在于，所述电动直线位移平台在0~100mm的范围内连续移动，用于改变待测光栅的测量点位置。
3.根据权利要求1所述光栅的线密度测量方法，其特征在于，所述固定在电动直线位移平台下方的电动旋转台360°连续转动，通过转动使特定级次的衍射光能沿着入射方向返回。
4.根据权利要求1所述光栅的线密度测量方法，其特征在于，所述光纤耦合器、单模2x2光纤耦合器和光纤准直器为与激光光源中心波长相对应的耦合/准直器。
5.根据权利要求4所述光栅的线密度测量方法，其特征在于，所述激光光源输出中心波长与待测光栅周期之间需满足d≥λ/2的条件。
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