CN106596058A - 光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于平面光栅的光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法，测量装置主要包括激光光源、单色器、光阑、偏振片、分束镜、待测光栅、光电探测器、正弦机械结构和电子学控制等部分。本发明的优点是：(1)显著提高了光栅衍射效率光谱的测量速度，可以实现光栅衍射效率光谱的快速测量，如应用于观测光栅衍射效率光谱特性在温度、湿度以及激光辐照损伤等环境因素下的动态变化过程；(2)在测量过程中，仪器的机械构件始终保持匀速运动状态，测试系统因而具有较高的机械稳定性；(3)测量仪器具有较高的工作效率。

Description

光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及平面光栅，特别是一种用于平面光栅的光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法。

背景技术

光栅是目前应用最普遍的色散类光学元件，是各种光谱测量仪器的核心组成部分，对于光栅来说，衍射效率是非常重要的一个性能指标，光栅衍射效率的准确测量对于评价光栅的性能、改进光栅加工的工艺有着重要的实际意义。

目前国际上普遍采用的光栅衍射效率光谱测量仪器的结构如图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6、待测光栅固定机架7、旋转转盘8、待测光栅9、探测器连接杆10和测试光探测器11，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)打开激光光源，在光路中不放置光栅样品，使测试光束照射在测试光探测器上；

(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……λ_n，分别重复步骤(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)在测试光束中安装待测光栅，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，接着旋转转盘通过连杆把测试光探测器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……λ_n，分别重复步骤(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，以及在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……λ_n时光栅的衍射效率，进而得到待测光栅的衍射效率光谱。

这种装置和方法可以比较准确的完成光栅衍射效率光谱的测量，但是其主要缺点是：

(1)在测量过程中，单色器内部的机械结构和转盘需要断断续续的完成不连续的间歇运动，探测器需要进行间歇的数据采集，他们之间的动作是分时间先后顺序完成的，因而光栅衍射效率光谱的测试速度比较缓慢，如为得到800nm-1100nm波段范围内的光谱曲线，往往需要5分钟左右的时间，而在实际的光栅衍射效率光谱的测试过程中，为了观察光栅衍射效率的光谱特性在温度、湿度、激光损伤等环境因素下的动态变化情况，需要光栅衍射效率光谱能够在较短的时间内完成，目前普遍采用的测试装置和方法显然是无法胜任的；

(2)在目前光栅衍射效率光谱的测量方案中，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，在整个测试过程中，仪器内部的机械构件需要保持断断续续的间歇运动状态，因此测试仪器的机械稳定性较差；

(3)由于目前光栅衍射效率光谱的测量耗时较长，测试仪器的工作效率较低，无法满足大批量光栅的测试需求。

发明内容

为了解决现有光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法中存在的问题，本发明提供一种光栅衍射效率光谱的测量装置和测量方法。该装置的优点是：显著提高了光栅衍射效率光谱的测量速度，可以实现光栅衍射效率光谱的快速测量，如应用于观测光栅衍射效率光谱特性在温度、湿度以及激光辐照损伤等环境因素下的动态变化过程；在测量过程中，仪器的机械构件始终保持匀速运动状态，测试系统因而具有较高的机械稳定性；具有较高的工作效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种光栅衍射效率光谱测量装置，包括可调谐激光器、单色器、光阑、偏振片、分束器、参考光探测器固定机架、参考光探测器、待测光栅样品台、转盘、待测光栅、连杆、测试光探测器，其特点在于，还包括正弦机构，该正弦机构包括固定滑槽，该固定滑槽的一端固定在样品台上，滑杆的一端从所述的滑槽的另一端深入所述的滑槽并与滑槽摩擦配合，所述的滑杆的另一端与固定节点构成相互摩擦配合，导轨的一端固定在所述的滑杆的中间，并与所述的滑杆垂直，所述的丝杠(通过轴承安装在所述的导轨上；所述的滑块通过螺纹配合安装在所述的丝杠上；所述的测试光探测器固定在所述的所述的滑块上，所述的转盘和测试光探测器通过连杆连接在一起，所述的连杆绕所述的转盘的中心旋转时，所述的滑杆在滑槽中协调运动，滑块在导轨中协调运动，所述的测试光探测器被所述的滑块带动协调运动；

待测光栅置于所述的待测光栅平台上时，待测光栅平面应与所述的滑槽保持垂直。

所述的测试光探测器在丝杠上的运动方式是弹簧谐振子式间歇振动，同时单色器的出射波长也保持相应的变化规律。

利用上述光栅衍射效率光谱测量装置进行光栅衍射效率光谱的测量方法，包括以下步骤：

①将测试光探测器放置在分束器的透射光路的待测光栅样品台上，使得测试光束直接照射在测试光探测器上；

②使单色器的出射波长从λ₀匀速的增加到λ₁，同时使参考光探测器和测试光探测器保持连续的光强信号采集，其中两个光电探测器的信号采集时间均等于单色器出射波长从λ₀匀速增加到λ₁所需要的时间，记录参考光探测器和测试光探测器采集到的光强信号值，分别记为和

③分别在波长范围λ₁—λ₂，λ₂—λ₃，……λ_n-1—λ_n内，重复步骤②，得到和和和其中500nm<λ₁<λ₂<λ₃<···<λ_n-1<λ_n<1200nm；

④将所述的测试光探测器固定在所述的滑块上，将待测光栅置于所述的待测光栅平台上，使待测光栅平面应与所述的滑槽保持垂直，然后把单色器的出射波长设置为λ₀，根据光栅方程把滑块移动到测试光束的照射方向处，；

⑤使单色器的出射波长从λ₀匀速的增加到λ₁，同时使测试光探测器在导轨上匀速的运动一个节距，并使参考光探测器和测试光探测器保持连续的光强信号采集，其中两个光电探测器的光强信号采集时间均等于单色器出射波长从λ₀增加到λ₁所需要的时间，也等于测试光探测器在导轨上运动一个节距的时间，记录参考光探测器和测试光探测器采集到的信号强度值，分别记为和

⑥分别在波长范围λ₁—λ₂，λ₂—λ₃，……λ_n-1—λ_n内，重复步骤⑤，得到和和和

⑦根据参考光探测器和测试光探测器在各个波长范围内采集到的明场强度值和信号强度值，按下列公式分别计算波长时待测光栅的衍射效率：

⑧根据和绘制待测光栅的衍射效率光谱曲线，完成光栅衍射效率光谱的测量。

本发明的工作原理：

激光光源发出的复色光依次传输通过单色器、光阑和分束器后形成一束参考光和一束测试光，参考光束的光强被参考光探测器采集，测试光束照射在待测光栅上，待测光栅的衍射光束落在测试光探测器上，测试光探测器安装在正弦机构上，衍射光栅的光栅方程(此处以+1级反射光栅为例)为：

p(sinα+sinβ)＝λ (1.9)

式中p为光栅周期，α为入射角，β为衍射角。

正弦机构的方程式为：

r×sinβ＝x (1.10)

式中，r为连杆的半径，x为测试光探测器在丝杠上的相对位移。

结合光栅方程和正弦机构的方程式，可以得到波长λ和探测器在丝杠25上位置x之间的函数关系式为：

对于给定的光栅周期p、设定好的入射角α和连杆半径r，我们发现，波长λ与测试光探测器在丝杠26上的位移x成严格的线性关系。

在测量过程中，使单色器的出射波长一直保持匀速的变化，使测试光探测器在丝杠上一直保持匀速直线移动，同时使探测器保持连续信号采集，单色器的出射波长每变化一个步距λ→λ+△λ，光电探测器在丝杠上运动一个相对应的距离x→x+△x，同时光电探测器完成一个光强信号的采集并存储光强值，其中光电探测器的信号采集时间等于波长从λ增加到λ+△λ消耗的时间，也等于光电探测器在丝杠上从位置x移动到x+△x消耗的时间，通过在每一个波长节距内重复这种数据采集方式，即可完成光栅衍射效率光谱的测量。

由于采用的正弦机构能使单色器出射波长λ与测试光探测器在丝杠上的位置x成严格的线性关系，所以在光电探测器的初始位置和单色器的初始波长相适应后，当单色器的出射波长保持匀速的增加，光电探测器保持匀速的直线运动，并且波长的变化速度和探测器的运动速度相匹配时，可以保证测试光束每时每刻都准确的照射在测试光探测器的同一位置处。

本发明的优点如下：

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，本发明具有以下优点：

(1)本发明可以显著提高光栅衍射效率光谱的测量速度(对于900nm—1100nm波段范围内衍射效率光谱的测量，大约需要10秒钟左右的时间)，因而可用于观测光栅衍射效率光谱特性在温度、湿度以及激光辐照损伤等环境因素下的动态变化过程；

(2)本发明测量中，仪器的机械结构始终保持匀速运动，测试系统因而具有较高的机械稳定性。

(3)本发明具有较高的工作效率，可以用于大批量光栅的测试环境中。

附图说明

图1是传统光栅衍射效率光谱的测量装置的结构示意图；

图2是本发明光栅衍射效率光谱测量装置实施例1的结构示意图；

图3是基于本发明专利提出的光栅衍射效率光谱测量方法，数值模拟得到的光栅衍射效率光谱；

图4是本发明光栅衍射效率光谱测量装置实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体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。

实施例1：

图2是本发明光栅衍射效率光谱测量装置实施例1的结构示意图，光源12采用FemtoPower FP1060-20高功率超快光纤激光器，单色器13采用Photon系列单色器，光阑14采用Thorlabs公司ID20接杆安装可变光阑，起偏器15采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，分束器16采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2笼式立方体安装的薄膜分束器，参考光探测器18和测试光探测器24均采用卓立汉光的硅光电二极管光电探测器DSI200，其他机械部件均由上海联谊光纤激光器公司定制完成。

由图可见，本发明光栅衍射效率光谱测量装置，包括可调谐激光器12、单色器13、光阑14、偏振片15、分束器16、参考光探测器固定机架17、参考光探测器18、待测光栅样品台20、转盘21、待测光栅22、连杆23、测试光探测器24，，还包括正弦机构，该正弦机构包括固定滑槽19，该滑槽19的一端固定在样品台20上，滑杆28的一端从所述的滑槽19的另一端深入所述的滑槽19并与滑槽19摩擦配合，所述的滑杆28的另一端与固定节点29构成相互摩擦配合，导轨27的一端固定在所述的滑杆28的中间，并与所述的滑杆28垂直，所述的丝杠26通过轴承安装在所述的导轨27上；所述的滑块25通过螺纹配合安装在所述的丝杠26上；所述的测试光探测器24固定在所述的所述的滑块25上，所述的转盘21和测试光探测器24通过连杆23固定地连接在一起，所述的连杆23绕所述的转盘21的中心旋转时，所述的滑杆28在滑槽19中协调运动，滑块25在导轨27中协调运动，所述的测试光探测器24被所述的滑块25带动协调运动；

待测光栅22置于所述的待测光栅平台20上时，待测光栅平面应与所述的滑槽19保持垂直。

利用上述光栅衍射效率光谱测量装置进行光栅衍射效率光谱的测量方法，包括以下步骤：

①将测试光探测器24放置在分束器16的透射光路的待测光栅样品台20上，使得测试光束直接照射在测试光探测器24上；

②使单色器13的出射波长从λ₀匀速的增加到λ₁，同时使参考光探测器18和测试光探测器24保持连续的光强信号采集，其中两个光电探测器的信号采集时间均等于单色器出射波长从λ₀匀速增加到λ₁所需要的时间，记录参考光探测器18和测试光探测器24采集到的光强信号值，分别记为和

③分别在波长范围λ₁—λ₂，λ₂—λ₃，……λ_n-1—λ_n内，重复步骤②，得到和和和其中500nm<λ₁<λ₂<λ₃<···<λ_n-1<λ_n<1200nm；

④将所述的测试光探测器24固定在所述的滑块25上，将待测光栅置于所述的待测光栅平台上，使待测光栅平面应与所述的滑槽保持垂直；

⑤使单色器13的出射波长从λ₀匀速的增加到λ₁，同时使测试光探测器24在导轨27上匀速的运动一个节距，并使参考光探测器18和测试光探测器24保持连续的光强信号采集，其中两个光电探测器的光强信号采集时间均等于单色器13出射波长从λ₀增加到λ₁所需要的时间，也等于测试光探测器24在导轨27上运动一个节距的时间，记录参考光探测器18和测试光探测器24采集到的信号强度值，分别记为和

⑥分别在波长范围λ₁—λ₂，λ₂—λ₃，……λ_n-1—λ_n内，重复步骤⑤，得到和和和

⑦根据参考光探测器18和测试光探测器24在各个波长范围内采集到的明场强度值和信号强度值，按下列公式分别计算波长为时待测光栅的衍射效率：

⑧根据和绘制待测光栅的衍射效率光谱曲线，完成光栅衍射效率光谱的测量。

图3是基于本发明光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法，数值模拟得到的光栅衍射效率光谱，黑色实线是待测光栅的理论衍射效率光谱，黑色短虚线是利用传统测量装置和测量方法得到的光栅衍射效率光谱，黑色点虚线利用本发明专利提出的测量装置和测量方法得到的光栅衍射效率光谱，通过对比我们可以看出，基于本发明得到的光谱和传统方法的测量结果是一模一样的，这说明本发明测量装置和测量方法的正确性和可行性。

实施例2：

图4是本发明光栅衍射效率光谱测量装置实施例2的结构示意图，与实施例1的不同之处在于，本实施例中测试光探测器在丝杠上的运动方式不是匀速直线运动，而是最符合自然规律的弹簧谐振子式间歇振动，同时单色器的出射波长也保持相应的变化规律，基于本实施例的测试装置，在测量光栅衍射效率光谱的时候，由于最符合机械构件的自然运动规律，因此理论上可以达到最快的光谱测量速度，如对于900nm—1100nm波段范围内衍射效率光谱的测量，测量所需时间可以降低到亚秒甚至是微秒量级，因而可应用于如原位时间分辨光栅衍射效率光谱测量等超快光栅衍射效率光谱测量环境中。

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 (3)

1.一种光栅衍射效率光谱测量装置，包括可调谐激光器(12)，单色器(13)、光阑(14)、偏振片(15)、分束器(16)、参考光探测器固定机架(17)、参考光探测器(18)、待测光栅样品台(20)、转盘(21)、待测光栅(22)、连杆(23)、测试光探测器(24)，其特征在于，还包括正弦机构，该正弦机构包括固定滑槽(19)，该滑槽(19)的一端固定在样品台(20)上，滑杆(28)的一端从所述的滑槽(19)的另一端深入所述的滑槽(19)并与滑槽(19)摩擦配合，所述的滑杆(28)的另一端与固定节点(29)构成相互摩擦配合，导轨(27)的一端固定在所述的滑杆(28)的中间，并与所述的滑杆(28)垂直，所述的丝杠(26)通过轴承安装在所述的导轨(27)上；所述的滑块(25)通过螺纹配合安装在所述的丝杠(26)上；所述的测试光探测器(24)固定在所述的所述的滑块(25)上，所述的转盘(21)和测试光探测器(24)通过连杆(23)固定地连接在一起，所述的连杆(23)绕所述的转盘(21)的中心旋转时，所述的滑杆(28)在滑槽(19)中协调运动，滑块(25)在导轨(27)中协调运动，所述的测试光探测器(24)被所述的滑块(25)带动协调运动；

待测光栅(22)置于所述的待测光栅平台(20)上时，待测光栅平面应与所述的滑槽(19)保持垂直。

2.如权利要求1所述的光栅衍射效率光谱测量装置，其特征在于，所述的测试光探测器(24)在丝杠(26)上的运动方式是弹簧谐振子式间歇振动，同时单色器(13)的出射波长也保持相应的变化规律。

3.利用权利要求1或2所述的光栅衍射效率光谱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将测试光探测器(24)放置在分束器(16)的透射光路的待测光栅样品台(20)上，使得测试光束直接照射在测试光探测器(24)上；

②使单色器(13)的出射波长从λ₀匀速的增加到λ₁，同时使参考光探测器(18)和测试光探测器(24)保持连续的光强信号采集，其中两个光电探测器的信号采集时间均等于单色器出射波长从λ₀匀速增加到λ₁所需要的时间，记录参考光探测器(18)和测试光探测器(24)采集到的光强信号值，分别记为和

③分别在波长范围λ₁—λ₂，λ₂—λ₃，……λ_n-1—λ_n内，重复步骤②，得到和和和其中500nm<λ₁<λ₂<λ₃<···<λ_n-1<λ_n<1200nm；

④将所述的测试光探测器(24)固定在所述的滑块(25)上，将待测光栅置于所述的待测光栅平台上，使待测光栅平面应与所述的滑槽保持垂直；

⑤使单色器(13)的出射波长从λ₀匀速的增加到λ₁，同时使测试光探测器(24)在导轨(27)上匀速的运动一个节距，并使参考光探测器(18)和测试光探测器(24)保持连续的光强信号采集，其中两个光电探测器的光强信号采集时间均等于单色器(13)出射波长从λ₀增加到λ₁所需要的时间，也等于测试光探测器(24)在导轨(27)上运动一个节距的时间，记录参考光探测器(18)和测试光探测器(24)采集到的信号强度值，分别记为和

⑥分别在波长范围λ₁—λ₂，λ₂—λ₃，……λ_n-1—λ_n内，重复步骤⑤，得到和 和和

⑦根据参考光探测器(18)和测试光探测器(24)在各个波长范围内采集到的明场强度值和信号强度值，按下列公式分别计算波长为：时待测光栅的衍射效率：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0+{\mathrm{\&lambda;}}_1}{2}}=\frac{I_0^M}{I_0^R}\&times;\frac{I_0^r}{I_0^m}---\left(1.1\right)\\ {\mathrm{\&eta;}}_{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1+{\mathrm{\&lambda;}}_2}{2}}=\frac{I_1^M}{I_1^R}\&times;\frac{I_1^r}{I_1^m}---\left(1.2\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2+{\mathrm{\&lambda;}}_3}{2}}=\frac{I_2^M}{I_2^R}\&times;\frac{I_2^r}{I_2^m}---\left(1.3\right)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\&eta;}}_{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{n-1}+{\mathrm{\&lambda;}}_n}{2}}=\frac{I_{n-1}^M}{I_{n-1}^R}\&times;\frac{I_{n-1}^r}{I_{n-1}^m}---\left(1.4\right)\end{array}$

⑧根据和绘制待测光栅的衍射效率光谱曲线，完成光栅衍射效率光谱的测量。