CN111537201A - 一种全反式平面光栅衍射效率测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全反式平面光栅衍射效率测试装置及方法，特别适用于平面闪耀光栅的衍射效率测量，该装置由单色仪、光阑、抛物面准直镜、光栅转台、后光路转台、后光路支撑板、抛物面聚焦镜、转折镜、单元探测器和控制及数据处理模块组成。单色仪出射不同波长的单色光，通过后光路的旋转对不同波长衍射光进行扫描探测，该装置可用于测量不同波长的单色光经过待测光栅后的衍射效率。本发明为反射式平面闪耀光栅提供了一种高精度、高效率的衍射效率测量方法。

Description

一种全反式平面光栅衍射效率测试装置及方法
技术领域
本发明涉及光栅衍射效率的测试，特别是指平面闪耀光栅的衍射效率测试装置和方法。
背景技术
棱镜和光栅是色散型光谱仪主要的分光元件。光栅分光光谱仪由于其色散线性、结构紧凑等优点获得了广泛的应用。由于光栅的0级光是复色光而一般采用其临近级次的衍射光作为信号光。出于光学效率的考虑，光学系统中一般使用可以将某中心波长的衍射光能量集中到某一级次的所谓闪耀光栅。平面闪耀光栅由于结构最为简单，应用最为广泛。
光栅作为光栅分光仪器的核心光学元件，其衍射效率指标严重影响仪器的整体性能，因此，光栅衍射效率的测试非常关键。现有的光栅衍射效率测试装置往往存在以下问题：
(1)需要一路参考光用于入射光能量的测量，含有透射式光学元件，难以形成全反射式光路，谱段适用宽度较窄；光路复杂，光学元件众多，增加了系统元件的数量，也增加了整套测试装置的成本。
(2)用激光作为测试光源，激光作为高斯光束与自然光源存在差异，且激光在光栅处的光斑往往较小，测试光与光栅工作状态存在较大差异。
(3)缺少运动部件或者视场较窄，难以测量衍射光角度变化较大的光栅，且对测量非闪耀级次的衍射光的衍射效率往往并不适用。
发明内容
本发明的目的是弥补现有条件的不足，提供一种高精度、高效率的光栅衍射效率测试装置和方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
图1是本发明的全反式平面光栅衍射效率测试装置，由单色仪1、光阑2、抛物面准直镜3、光栅转台4、后光路转台5、后光路支撑板6、抛物面聚焦镜7、转折镜8、单元探测器9和控制及数据处理模块11组成。
单色仪1出射的发散光束经光阑2后经抛物面准直镜3准直为平行光入射到待测光栅10上，经其衍射后再由抛物面聚焦镜7聚焦到单元探测器9上。单色仪1作为系统光源，用于发出单色光。光阑2的孔径可变，用于控制系统的数值孔径以调节待测光栅10处的光斑大小及系统光能量。光栅转台4用于放置光栅，为满足不同光栅测试时反射面位置保持不变，其上设有低矮的靠面。光栅转台4与后光路转台5相互独立，且共旋转轴，该旋转轴经过中心视场主光线与反射面交点。抛物面聚焦镜7、转折镜8和单元探测器9一起固定在后光路支撑板6上，称为后光路，并整体安装于后光路转台5上，抛物面聚焦镜7、转折镜8和单元探测器9绕轴旋转时相互位置关系保持不变。控制及数据处理模块11用于控制单色仪和转台，以及处理数据。
光栅衍射效率测量适用于特定级次不同波长衍射效率的测量，分别测量某波长单色光的入射光能量及其闪耀级次的衍射光能量，则待测光栅10对该单色光的衍射效率为衍射光能量与入射光能量的比值，其测量步骤如下：
1)光栅转台4上不放置待测光栅10，保持光路畅通，控制后光路转台5带动后光路整体旋转，使得经抛物面准直镜3准直的平行光正入射后光路，由单元探测器9接收。控制单色仪1出射不同波长的单色光，记录单元探测器9响应值Iλ，下标λ表示不同波长的单色光，Iλ即入射光的能量。
2)在光栅转台4上放置待测光栅10，控制光栅转台4使得经抛物面准直镜3准直的平行光照射到待测光栅10上的入射角与光栅工作时的入射角一致。
3)将光栅周期、入射角和衍射级次等参数输入控制程序，由程序自动计算不同波长的单色光的在衍射级次下的衍射角。
4)控制单色仪1出射不同波长的单色光，通过程序自动同步控制后光路转台5带动后光路整体旋转至接收位置，使得该单色光经待测光栅10衍射后的衍射光正入射后光路并被单元探测器9接收，记录响应值Dλ，下标λ表示不同波长的单色光，Dλ即衍射光的能量。则待测光栅10对于不同波长单色光在衍射级次的衍射效率可表示为Dλ/Iλ。
由于上述技术方案的使用，本发明的全反式平面光栅衍射效率测试装置和方法的优点是：全反射式测试光路，无色差，谱段适用范围广，光路简单；相较于激光，单色仪出射光为非高斯光束，且经抛物镜后的平行光在光栅上的照射面积较大，更接近光栅正常工作状态，测定的效率更加合理；后光路转台旋转角度大，适用于衍射角度较大的光栅，也适用于更高级次的衍射光能量的测量。
附图说明
图1为本发明的全反式平面光栅衍射效率测试装置示意图。
图中：1为单色仪；
2为光阑；
3为抛物面准直镜；
4为光栅转台；
5为后光路转台；
6为后光路支撑板；
7为抛物面聚焦镜；
8为转折镜；
9为单元探测器；
10为待测光栅；
11为控制及数据处理模块。
具体实施方式
下面根据图1，给本发明一个较好实施例并作详细阐述：
图1是本发明的全反式平面光栅衍射效率测试装置，由单色仪1、光阑2、抛物面准直镜3、光栅转台4、后光路转台5、后光路支撑板6、抛物面聚焦镜7、转折镜8、单元探测器9和控制及数据处理模块11组成。
单色仪1型号为HORIBA iHR 320；光阑2的直径变化范围为0-5mm，抛物面准直镜3和抛物面聚焦镜7的设计参数一致，口径为Φ50.8mm，焦距为237mm，离轴量为127mm，离轴角为30°，反射波前差<λ/4@633nm；光栅转台4和后光路转台5为步进电机转台，精度0.01°；转折镜8口径为Φ25.4mm，表面PV<λ/10@633nm；单元探测器9有效口径为2.54mm，响应波段为350-1100nm。
待测光栅10为用于可见的反射式平面闪耀光栅，表面镀铝膜其设计参数如下：有效口径为58mm×66mm，光栅周期30l/mm，闪耀级次为+1级，闪耀波长为580nm，使用环境为入射角39.88°。
按图1进行光路搭建，光栅转台4和后光路转台5的基准位为垂直于抛物面准直镜3的出射光轴，其中光栅转台4设定基准的具体实施方式为：光阑直径设为1mm，并被单色仪照亮，在抛物面准直镜3的出射方向利用经纬仪找到光阑的像并将其中心对准经纬仪的十字叉丝，在光栅转台4处放置平面反射镜，该平面反射镜的背面紧靠光栅转台4上面的靠面，而光学面面向经纬仪，且该平面反射镜的光学面及其背面的平行度较好，控制光栅转台4的旋转，使得经纬仪发出的光经过该平面反射镜回到经纬仪处的十字叉丝的像与原像重叠，此时设置光栅转台4的位置为基准位。后光路转台5设定基准的具体实施方式为：光阑被单色仪照亮，光阑直径设为1mm，此时经过测试系统后在单元探测器9处的像略小于其口径，控制后光路转台5进行扫描，将单元探测器9响应最大时的位置设为后光路转台5的180°，即入射光测试位，该位置逆时针旋转180°的位置则为后光路转台的基准位。
将后光路转台5定位到入射光测试位并保持不动，控制单色仪1在400-880nm谱段范围内按照每20nm出射单色光，记录单元探测器9响应值Iλ，下标λ表示不同波长的单色光。
在光栅转台4上放置待测光栅10，并将光栅面紧靠光栅转台上面的靠面。控制光栅转台4旋转39.88°，使得入射光按照与使用环境一致的入射角入射到待测光栅10。
将光栅周期、入射角和衍射级次等参数输入控制程序，由程序自动计算不同波长的单色光的在衍射级次下的衍射角。例如600nm时，衍射角为41.24°，而700nm时，衍射角为41.47°
控制单色仪1在400-880nm谱段范围内按照每20nm出射单色光，程序自动同步控制后光路转台5带动后光路整体旋转至相应的接收位置，使得该单色光经待测光栅10衍射后正入射后光路并被单元探测器9接收，记录单元探测器9响应值Dλ，下标λ表示不同波长的单色光。则待测光栅10对于不同波长单色光的在衍射级次的衍射效率可表示为Dλ/Iλ。部分结果如下所示。
波长 1级衍射效率
500nm 0.662
600nm 0.737
700nm 0.670
800nm 0.539

Claims (2)

1.一种全反式平面光栅衍射效率测试装置，包括单色仪(1)、光阑(2)、抛物面准直镜(3)、光栅转台(4)、后光路转台(5)、后光路支撑板(6)、抛物面聚焦镜(7)、转折镜(8)和单元探测器(9)和控制及数据处理模块(11)，其特征在于：
所述的单色仪(1)出射的发散光束经光阑(2)后经抛物面准直镜(3)准直为平行光并入射到待测光栅(10)，经待测光栅(10)衍射后再由抛物面聚焦镜(7)聚焦到单元探测器(9)；单色仪(1)作为系统光源，用于发出单色光，光阑(2)的孔径可变，用于控制系统的数值孔径并进而控制待测光栅(10)处的光斑大小及系统光能量，光栅转台(4)用于放置光栅，为满足不同光栅测试时反射面位置保持不变，其上设有低矮的靠面，光栅转台(4)与后光路转台(5)相互独立，且共旋转轴，该旋转轴经过中心视场主光线与反射面交点，抛物面聚焦镜(7)、转折镜(8)和单元探测器(9)一起固定在后光路支撑板(6)上，称为后光路，并整体安装于后光路转台(5)上，抛物面聚焦镜(7)、转折镜(8)和单元探测器(9)绕轴旋转时相互位置关系保持不变；控制及数据处理模块(11)用于单色仪和转台的控制，以及数据的处理。
2.一种基于权利要求1所述全反式平面光栅衍射效率测试装置的测试方法，其特征在于：
光栅衍射效率测试分为衍射光能量测试和入射光能量测试两部分，衍射效率为衍射光能量与入射光能量的比值；
入射光能量测试时，控制后光路转台(5)带动后光路整体旋转，使得经抛物面准直镜(3)准直的平行光正入射后光路，由探测器(9)接收，控制单色仪(1)出射不同波长的单色光，记录单元探测器(9)响应值Iλ，下标λ表示不同波长的单色光；
衍射光能量测试时，在光栅转台(4)上放置待测光栅(10)，控制光栅转台(4)使得经抛物面准直镜(3)准直的平行光照射到待测光栅(10)时的入射角与光栅工作时的入射角一致；控制单色仪(1)出射不同波长的单色光，由于不同波长的单色光的非零级衍射角不同，需同时控制后光路转台(5)带动后光路整体旋转以接收不同波长的衍射光，记录单元探测器(9)响应值Dλ，下标λ表示不同波长的单色光，待测光栅(10)对于不同波长单色光的在衍射级次的衍射效率为Dλ/Iλ。
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