CN111006854B - 一种微纳结构透镜衍射效率测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微纳结构透镜衍射效率测试装置与方法，包括：激光光束经过扩束准直系统形成平行光束；分光单元将平行光束分为两束，一束进入参考探测系统，一束垂直入射待测微纳结构透镜；测试探测系统设置在待测透镜焦面位置，采集衍射光能量；为提高测量精度，采用双光路方式，利用参考探测系统采集的信号实时修正测试光束的光能量，抑制光源功率波动的影响。将扩束准直系统、分束单元集成在电控二维运动机构的光学台面上，使出射光束随光学台面移动对待测微纳结构透镜进行扫描，满足对微纳结构透镜全口径范围的衍射效率测试。

Description

一种微纳结构透镜衍射效率测试装置与方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种微纳结构透镜衍射效率测试装置与方法。

背景技术

近年来，微纳结构透镜在全息显示、激光光束控制与整形、光学成像等领域的应用越来越广。衍射效率是表征微纳结构透镜宏观性能的一项重要指标，反映了微纳结构透镜对光能的利用效率。衍射效率的主要影响因素包括设计理论近似、微纳结构加工误差、照明光源波长、基底材料的透过率等。对衍射效率的精确测试，可以为微纳结构透镜的工程应用提供准确可靠的数据支持，为分析元件设计、加工以及整体性能评估提供反馈。

针对衍射效率的测试，传统的测试方法是：激光光源和准直器提供单色平行光束，准直器出口限制光束直径，利用探测器测量空测数据(光路中不加待测微纳结构透镜)和实测数据(光路中加入待测微纳结构透镜，探测器收集使用衍射级次的光功率)，通过这两个数据，根据公式(1)计算得到衍射效率。

其中：P_实代表光路中加入待测微纳结构透镜后探测器的响应值；

P_空代表光路中未加入待测微纳结构透镜时探测器的响应值；

η代表衍射效率。

传统的测试方法只考虑单一局部范围内的衍射效率。对于大口径微纳结构透镜，不同区域的微纳结构形貌不一致，加工误差分布也不均匀，因此衍射效率不是一个空域不变量，使用局部区域的测试结果表征微纳结构透镜的衍射效率并不准确。

针对上述微纳结构透镜具有空域变化衍射效率的问题，拟采用光束扫描的方法实现衍射效率全口径分布测试，引入二维自动扫描装置，可以极大地提高测试效率。

发明内容

本发明提供了一种能够提高测试精度、加快测试效率的微纳结构透镜衍射效率测试系统及方法。

本发明的技术方案如下：

一种微纳结构透镜衍射效率测试装置，包括光源系统、扩束准直系统、光束分光单元、探测系统、二维运动机构、主控系统、数据处理系统。所述扩束准直系统设置在光源系统的出射光路上；所述分束系统设置在扩束准直系统的出射光路上，分出测试光束与参考光束；待测微纳结构透镜设置于分光系统的测试光束出射光路上；所述探测系统包含两个传感器探头，一个参考探头，一个测试探头，参考探头设置在分束系统的参考光束出射光路上，测试探头设置在待测微纳结构透镜的焦点上；所述二维运动机构的可动光学台面上集成了扩束准直系统，分束系统以及参考探头；主控系统分别与二维运动机构和探测系统相连；所述数据系统分别与探测系统与主控系统相连。

上述光源系统包括激光器、光纤耦合器；激光器出射光耦合进入光纤，传播至扩束扩束准直系统；

上述扩束准直系统包括扩束准直透镜组与可变孔径光阑，可变光阑位于扩束准直系统出射光路中；

上述光束分光单元由分光镜组成，分光镜表面按需求镀有光学膜系；

上述探测系统包括两个传感器探头、数据传输和输出模块，其中传感器探头前方均可安装积分球，提高测试稳定性；

上述二维运动机构包括二维电控导轨、控制器和带有连接螺纹孔的光学台面；

上述主控系统、数据处理系统均集成在计算机内。

装置工作原理如下：

该系统采用双光路设计，扩束准直系统出射的准直光束经过光束分光单元产生两束光，一路直接进入参考探测系统，一路入射到待测微纳结构透镜；测试之前首先标定光束分光单元的分束比ρ(透射光强与反射光强之比)以及微纳结构透镜基底材料透过率τ；测试时，主控系统同时读取参考探测器光强E₁和测试探测器光强E₂，衍射效率按下式计算：

测试过程中待测微纳结构透镜固定不动，测试探测系统设置在待测透镜的焦面处固定不动，通过电控二维运动机构带动出射测试光束扫描覆盖微纳结构透镜的有效口径范围。主控系统控制运动机构的运动路径以及探测系统的数据采集。

本发明的优点在于：

1)通过光纤将激光器出射光传播到扩束准直系统，分离激光器与出射光路，便于切换不同波长的激光器，扩展了系统的测试能力；

2)使用电控平移台实现测试光束空间二维运动，以扫描方式覆盖微纳结构透镜全口径，实现衍射效率的自动高效测试，节约人力与成本；

3)采用双光路测试，通过实时修正的方式抑制光源功率波动的影响，提高衍射效率测试精度。

附图说明

图1为本发明所提供的微纳结构透镜衍射效率测试装置的结构示意图；

其中：1、光源系统；2、二维运动机构；3、参考探测系统；4、待测微纳结构透镜；5、控制与数据处理计算机；6、光纤；7、扩束准直系统；8、可变光阑；9、光束分光单元；10、测试探测系统。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种微纳结构透镜衍射效率的高效测试装置，包括光源系统1、扩束准直系统7、光束分光单元9、二维运动机构2、参考探测系统3、测试探测系统10、控制与数据处理计算机5；扩束准直系统7设置在光源系统1的出射光路上，将光纤输出的光束进行准直；光束分光单元9将扩束准直系统7的出射准直光分为参考光束与测试光束；参考光束直接进入参考探测系统3，测试光束入射到待测微纳结构透镜4；测试探测系统10设置在微纳结构透镜4特定衍射级次的焦面上；主控系统与数据处理系统均集成在计算机5内，使用软件；可变光阑8设置在扩束准直系统7的出射光路上，位于扩束准直系统7与光束分光单元9之间，可以控制准直光束的直径，满足不同的测试需求；扩束准直系统7、光束分光单元9、参考探测系统3以及可变光阑8均位于二维运动机构的光学台面上；

其中二维运动机构的两根导轨相互垂直正交，同时保证测试光束垂直于两根正交导轨构成的平面；计算机软件能够控制参考探测系统3、测试探测系统10同时连续多次采集数据；二维运动机构的相对坐标原点可以通过计算机软件设定。

进行衍射效率测试时的具体步骤如下：

1、打开系统电源，检查系统各部件是否正常工作；

2、固定待测微纳结构透镜并调节姿态，保证测试光束垂直入射微纳结构透镜；

3、调整测试探测系统探头的位置，使其位于微纳结构透镜特定衍射级次的焦面上；

4、根据测试需求调节可变光阑的直径；

5、打开计算机软件，根据测试需求在软件界面设定二维运动机构的运动路径与步长；

6、并将预先标定的分光比与基底透过率参数输入到软件界面的数据处理单元；

7、移动二维运动机构，使测试光束入射到待测微纳结构透镜的中心，并在软件中设定此时的光学平台为相对坐标原点；

8、开始扫描测试，软件界面实时显示测试结果；

9、测试结束，保存数据并退出软件。

Claims (2)

1.一种微纳结构透镜衍射效率测试装置，其特征在于：所述微纳结构透镜衍射效率测试装置包括光源系统、扩束准直系统、光束分光单元、二维运动机构、参考探测系统、测试探测系统、控制与数据处理计算机；扩束准直系统设置在光源系统的出射光路上，将光纤输出的光束进行准直；光束分光单元将扩束准直系统的出射准直光束分为参考光束与测试光束；参考光束直接进入参考探测系统，测试光束入射到待测微纳结构透镜；测试探测系统设置在微纳结构透镜特定衍射级次的焦面上；主控系统与数据处理系统均集成在计算机内；可变光阑设置在扩束准直系统的出射光路上，位于扩束准直系统与光束分光单元之间，可以控制准直光束的直径，满足不同的测试需求；扩束准直系统、光束分光单元、参考探测系统以及可变光阑均位于二维运动机构的光学台面上；

该装置采用双光路设计，扩束准直系统出射的准直光束经过光束分光单元产生两束光，一路直接进入参考探测系统，一路入射到待测微纳结构透镜；测试之前首先标定光束分光单元的分束比ρ，即透射光强与反射光强之比，以及微纳结构透镜基底材料透过率τ；测试时，主控系统同时读取参考探测器光强E₁和测试探测器光强E₂，衍射效率按下式计算：

测试过程中待测微纳结构透镜固定不动，测试探测系统设置在待测微纳结构透镜的焦面处固定不动，通过电控二维运动机构带动出射测试光束扫描覆盖微纳结构透镜的有效口径范围，主控系统控制运动机构的运动路径以及探测系统的数据采集；

光源系统包括激光器、光纤耦合器，其中激光器为单波长激光器，或者波长可调激光器或者多个单波长激光器的组合；

扩束准直系统包括扩束准直透镜组与可变光阑，可变光阑位于扩束准直系统出射光路中，所述扩束准直系统与光源系统之间的光路通过光纤传递，激光光束经过扩束准直系统后成为平行光束；

扩束准直系统与光束分光单元固定在二维运动机构的光学台面上，出射测试光束垂直于二维运动机构的运动平面；

光束分光单元由分光镜组成，分光镜表面按需求镀有光学膜系；

探测系统包括两个传感器探头、数据传输和输出模块，其中传感器探头前方均安装积分球，提高测试稳定性；

二维运动机构包括二维电控导轨、控制器和带有连接螺纹孔的光学台面；

主控系统、数据处理系统均通过软件控制实现；

该装置通过光纤将激光器出射光传播到扩束准直系统，分离激光器与出射光路，便于切换不同波长的激光器，扩展了装置的测试能力；

该装置使用二维运动机构实现测试光束空间二维运动，以扫描方式覆盖微纳结构透镜全口径，实现衍射效率的自动高效测试；

该装置采用双光路测试，通过实时修正的方式抑制光源功率波动的影响，提高衍射效率测试精度。

2.一种微纳结构透镜衍射效率测试方法，利用权利要求1所述的微纳结构透镜衍射效率测试装置，其特征在于：包括以下步骤：

1)提供平行光束，光束直径根据实际测试需求调节可变光阑直径；

2)光束分光单元将平行光束分成两束平行光，一路直接进入参考探测系统，一路垂直入射待测微纳结构透镜；

3)获取参考光束光能量E₁；

4)获取测试光束经过微纳结构透镜后到达微纳结构透镜焦点的光能量E₂；

5)计算衍射效率，根据测试之前标定的分光单元分束比ρ，即透射光强与反射光强之比，以及微纳结构透镜基底材料透过率τ，按下式计算衍射效率：

6)改变测试光束入射微纳结构透镜的位置，重复步骤3)到步骤5)，测试微纳结构透镜不同区域的衍射效率；

参考光束光能量与测试光束到达微纳结构透镜焦点的光能量需要同时获取；测试过程中微纳结构透镜及测试探测系统固定不动，通过移动二维运动机构使测试光束入射到微纳结构透镜的不同区域，实现全口径范围衍射效率测试。

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