CN113218627B - 光栅衍射效率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光栅衍射效率测试装置及方法，其中的装置包括光源、设置在光源与待检测的衍射光波导之间的分束装置、设置在衍射光波导一侧的棱镜，以及第一光功率计和第二光功率计；其中，分束装置用于将光源发射的光束分为第一光束和第二光束，第一光功率计用于检测第一光束的第一功率；第二光束通过衍射光波导的耦入光栅进入衍射光波导内部后经棱镜射出；或者，第二光束经棱镜进入衍射光波导内部，并从衍射光波导的耦出光栅射出；第二光功率计用于检测经衍射光波导或者棱镜射出的第二光束的第二功率；根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率。利用上述发明能够实现耦出区和耦入区的分别测试，提高光栅衍射效率的测试精度。

Description

光栅衍射效率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测试技术领域，更为具体地，涉及一种光栅衍射效率测试装置及方法。

背景技术

由于衍射光波导的衍射效率决定了波导片对光的利用效率，可知衍射光波导衍射效率对于光波导而言是一个非常重要的参数，因此测量衍射光波导的衍射效率是一项必要的检测项。

目前，在对光栅衍射效率进行测量时，需要通过光功率计采集光栅的一级衍射光，进而通过计算一级衍射光的功率与入射光功率的比值计算光栅的衍射效率。但是，在测量衍射光波导的光栅效率时，需要将光波导中的一级衍射光导出到空气介质中进行测试，导致测试方法只能测试耦入耦出光栅效率的整体效率，不能对耦入区及耦出区光栅的衍射效率进行分别测试，导致测试速度慢、准确度低。

具体地，光在光波导的传播过程如下：光源产生的光线照射到波导片的耦入区，耦入光栅会将入射光线部分能量耦入到波导里面。当光传播到耦出区时，波导里的光线会通过耦出光栅传播出来。在现有的衍射光波导的衍射效率测试中，只能测试衍射光波导整体的衍射效率值，而不能对耦入和耦出区光栅效率单独进行测试，由于光在光波导传输的过程中会损失掉一部分能量，导致整体衍射效率值不等于耦入光栅与耦出光栅衍射效率的乘积，进而测试结果的准确性也不能得到保证。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种光栅衍射效率测试，以解决目前光栅衍射效率测试存在的速度慢、准确性低等问题。

本发明提供的一种光栅衍射效率测试装置，包括光源、设置在光源与待检测的衍射光波导之间的分束装置、设置在衍射光波导一侧的棱镜，以及第一光功率计和第二光功率计；其中，分束装置用于将光源发射的光束分为第一光束和第二光束，第一光束反射至第一光功率计处，第一光功率计用于检测第一光束的第一功率；第二光束通过衍射光波导的耦入光栅进入衍射光波导内部后经棱镜射出；或者，第二光束经棱镜进入衍射光波导内部，并从衍射光波导的耦出光栅射出；第二光功率计用于检测经衍射光波导或者棱镜射出的第二光束的第二功率；根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率。

此外，优选的技术方案是，当第二光束通过衍射光波导的耦入光栅进入衍射光波导内部后经棱镜射出时，棱镜和耦入光栅分别设置在衍射光波导的两侧；并且，在棱镜与衍射光波导之间涂抹有折射率匹配剂。

此外，优选的技术方案是，第二光束垂直耦入衍射光波导的耦入光栅中，在衍射光波导中产生不同衍射级次的衍射光；衍射光经过棱镜导出至第二光功率计处。

此外，优选的技术方案是，棱镜包括曲面棱镜或者三角棱镜。

此外，优选的技术方案是，当棱镜为曲面棱镜时，第二光束进入曲面棱镜的入射光线与曲面棱镜的对应位置的曲面相垂直。

此外，优选的技术方案是，当第二光束经棱镜进入衍射光波导内部，并从衍射光波导的耦出光栅射出时，在衍射光波导的延伸方向上，棱镜设置在耦入光栅和耦出光栅之间；并且，在棱镜与衍射光波导之间涂抹有折射率匹配剂。

此外，优选的技术方案是，当棱镜为曲面棱镜时，第二光束垂直曲面棱镜的对应位置的曲面射入曲面棱镜中，并经曲面棱镜进入衍射光波导内部；进入衍射光波导内部的第二光束在耦出光栅射出至第二光功率计处。

此外，优选的技术方案是，耦入光栅和/或耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。

此外，优选的技术方案是，衍射光波导的衍射效率公式表示为：

其中，λ表示光源发射的光束的波长，P(λin)表示第一功率，P(λout)表示第二功率。

根据本发明另一方面，提供一种光栅衍射效率测试方法，利用上述光栅衍射效率测试装置对待检测的衍射光波导进行衍射效率测试；方法包括：耦入光栅衍射效率测试方法和耦出光栅衍射效率测试方法；其中，耦入光栅衍射效率测试方法包括：控制光源发射光束，光源发射的光束通过分束装置分为第一光束和第二光束；第一光束反射至第一光功率计处，通过第一光功率计获取与第一光束对应的第一功率；第二光束通过耦入光栅进入衍射光波导内，并经棱镜射出至第二光功率计处，通过第二光功率计获取与第二光束对应的第二功率；根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率；耦出光栅衍射效率测试方法包括：控制光源发射光束，光源发射的光束通过分束装置分为第一光束和第二光束；第一光束反射至第一光功率计处，通过第一光功率计获取与第一光束对应的第一功率；第二光束经棱镜射入衍射光波导内，并经衍射光波导的耦出光栅射出至第二光功率计处，通过第二光功率计获取与第二光束对应的第二功率；根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率。

利用上述光栅衍射效率测试装置及方法，设置第一光功率计检测光源分光后的第一光束的第一功率，而光源的第二光束经棱镜进入衍射光波导内部，并从衍射光波导射出，或者第二光束进入衍射光波导内部后经棱镜射出，并通过第二光功率计检测经衍射光波导或者棱镜射出的第二光束的第二功率，进而根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率，能够在不破坏光波导的前提下，对衍射光波导的耦入区及耦出区分别进行衍射效率测试，装置结构简单，测试准确度高。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的光栅衍射效率测试装置示意图一；

图2为根据本发明实施例的光栅衍射效率测试装置示意图二；

图3为根据本发明实施例的耦入光栅衍射效率测试方法流程图；

图4为根据本发明实施例的耦出光栅衍射效率测试方法流程图。

其中的附图标记包括：光源1、分束装置2、第一光功率计31、第二光功率计32、棱镜4、折射率匹配剂5、光波导6、耦入光栅7、耦出光栅8。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

为解决目前光栅衍射效率测试过程中存在的测试时间长、准确性不能得到保证，且不能够对光栅的耦出区和耦入区进行分别测试的问题，本发明提供一种光栅衍射效率测试装置，包括光源、设置在光源与待检测的衍射光波导之间的分束装置、设置在衍射光波导一侧的棱镜，以及第一光功率计和第二光功率计；其中，分束装置可采用分束镜等，主要用于将光源发射的光束分为第一光束和第二光束，第一光束反射至第一光功率计处，第一光功率计用于检测第一光束的第一功率；第二光束通过衍射光波导的耦入光栅进入衍射光波导内部后经棱镜射出；或者，第二光束经棱镜进入衍射光波导内部，并从衍射光波导的耦出光栅射出；第二光功率计用于检测经衍射光波导或者棱镜射出的第二光束的第二功率；根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率，能够对光栅的耦出区和耦入区分别进行效率测试，测试速度快、准确度高、可适用范围广。

需要说明的是，在本发明提供的光栅衍射效率测试装置及方法中，衍射光波导包括光波导和分别设置在光波导上的耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅所在位置可理解为耦入光栅区，耦出光栅所在位置可理解为耦出光栅区，对应的衍射光波导的衍射效率主要指设置在光波导上的光栅衍射效率，以下描述中不做具体区分。

为详细描述本发明的光栅衍射效率测试装置及方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的光栅衍射效率测试装置的示意原理一。

如图1所示，本发明实施例的光栅衍射效率测试装置，包括光源1、设置在光源1与待检测的衍射光波导之间的分束装置2、设置在衍射光波导一侧的棱镜4，以及第一光功率计31和第二光功率计32；其中，分束装置2用于将光源1发射的光束分为第一光束和第二光束，第一光束反射至第一光功率计31处，通过第一光功率计31检测第一光束的第一功率；第二光束通过耦出光栅垂直进入衍射光波导内部后经棱镜4射出至第二光功率计32处，通过第二光功率计32检测棱镜4射出的第二光束的第二功率，根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的耦入光栅7的衍射效率。

其中，棱镜4和耦入光栅7分别设置在衍射光波导的一侧，且在Z轴方向上，棱镜4与耦入光栅7之间存在重叠部分，第二光束以垂直耦入光栅7的方向垂直入射衍射光波导中，并在光波导6中产生不同衍射级次的衍射光，衍射光通过棱镜4导致至光波导6的外部，经过棱镜4后的光束进一步发射至第二光功率计32处，采集对应的第二功率。可知，第二光功率计32可根据光路的改变进行位置调整，并不限于附图中所示具体位置。

需要说明的是，棱镜4可采用附图中所示的曲面棱镜，也可采用三角棱镜，当棱镜为曲面棱镜时，由于曲面棱镜表面的不同位置的曲率不同，在测试过程中，需确保从光波导6进入棱镜的光线与棱镜对应位置的曲面相垂直。

此外，为防止光波导6与棱镜4之间的空气间隔对导出的光线造成影响，在光波导6与棱镜4之间涂抹有折射率匹配剂5，并使得折射率匹配剂5与光波导6的折射率相同，该折射率匹配剂5可采用折射率匹配液或折射率匹配胶等多种形式，以保证测量的准确性。

在测试过程中，可将光源1设置在外部驱动装置上，通过驱动装置控制光源1在ZOY平面或者XOZ平面进行旋转，进而改变第二光线进入耦入光栅7的入射角，实现对光栅的不同角度下的耦入区的衍射效率测试。其中，待检测的光栅可以是一维光栅或者二维光栅等多种类型的光栅。

图2示出了根据本发明实施例的光栅衍射效率测试装置的示意原理二。

如图2所示，本发明实施例的光栅衍射效率测试装置，包括光源1、设置在光源1与待检测的衍射光波导之间的分束装置2、设置在衍射光波导表面上的棱镜4，以及第一光功率计31和第二光功率计32；其中，分束装置2用于将光源1发射的光束分为第一光束和第二光束，第一光束反射至第一光功率计31处，通过第一光功率计31检测第一光束的第一功率；第二光束经棱镜4进入衍射光波导内部，并从衍射光波导的耦出光栅8处射出。从衍射光波导射出的光线发射至第二光功率计32处，通过第二光功率计32检测对应的第二功率，根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的耦出光栅8的衍射效率。

其中，在沿衍射光波导的延伸方向，棱镜4设置在耦入光栅7和耦出光栅8之间，且在Z轴方向上，棱镜4与耦入光栅7和耦出光栅8之间不存在重叠部分，第二光束以垂直棱镜4表面的方向入射至棱镜4中，并通过棱镜4进入光波导6中进行传输，最终在耦出光栅8或者耦出光栅8区射出至第二光功率计32处，通过第二光功率计32采集对应的第二功率。可知，第二光功率计32可根据光路的改变进行位置调整，并不限于附图中所示具体位置。

需要说明的是，棱镜4可采用附图中所示的曲面棱镜，也可采用三角棱镜，当棱镜为曲面棱镜时，由于曲面棱镜表面的不同位置的曲率不同，在测试过程中，需确保第二光束进入棱镜的光线与棱镜对应位置的曲面相垂直。

此外，为防止光波导6与棱镜4之间的空气间隔对导出的光线造成影响，在光波导6与棱镜4之间涂抹有折射率匹配剂5，并使得折射率匹配剂5与光波导6的折射率相同，保证测量的准确性。

在测试过程中，可将光源1设置在外部驱动装置上，通过驱动装置控制光源1在ZOY平面或者XOZ平面进行旋转，进而改变第二光线进入棱镜4的入射角，实现对光栅的不同角度下的耦入区的衍射效率测试。其中，待检测的光栅可以是一维光栅或者二维光栅等多种类型的光栅。

上述两种光栅衍射效率测试装置的区别在于棱镜的设置位置，以及光源1分光后的第二光束进入棱镜和衍射光波导的顺序，通过调整棱镜的位置可实现对衍射光波导的耦入光栅区和耦出光栅区的分别测试，测试针对性更强，且准确度更高。

具体地，在根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率(包括偶去光栅区和耦出光栅区的衍射效率)的公式如下所示：

其中，λ表示光源发射的光束的波长，P(λin)表示第一光功率计检测的第一功率，P(λ_out)表示第二光功率计检测的第二功率。

在本发明的一个具体实施方式中，耦入光栅和/或耦出光栅可采用表面浮雕光栅或体全息光栅等多种类型的光栅。

与上述光栅衍射效率测试装置相对应，本发明还提供一种光栅衍射效率测试方法，利用上述光栅衍射效率测试装置对待检测的衍射光波导进行衍射效率测试。其中的方法包括：耦入光栅衍射效率测试方法和耦出光栅衍射效率测试方法。

具体地，图3示出了根据本发明实施例的耦入光栅衍射效率测试方法的流程。

如图3所示，本发明实施例的耦入光栅衍射效率测试方法，包括：

S110：控制光源发射光束，光源发射的光束通过分束装置分为第一光束和第二光束；

S120：第一光束反射至第一光功率计处，通过第一光功率计获取与第一光束对应的第一功率；

S130：第二光束通过耦入光栅进入衍射光波导内，并经棱镜射出至第二光功率计处，通过第二光功率计获取与第二光束对应的第二功率；

S140：根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率。

在该耦入光栅衍射效率测试方法中，棱镜和耦入光栅分别设施在衍射光波导的两侧，且在Z轴方向上，棱镜与耦入光栅之间存在重叠部分，第二光束以垂直耦入光栅的方向垂直入射衍射光波导中，并在衍射光波导中产生不同衍射级次的衍射光波，衍射光波通过棱镜导致至光波导的外部，经过棱镜后的光束进一步发射至第二光功率计处，通过第二光功率计采集对应的第二功率。

图4示出了根据本发明实施例的耦出光栅衍射效率测试方法的流程。

如图4所示，本发明实施例的耦出光栅衍射效率测试方法包括：

S210：控制光源发射光束，光源发射的光束通过分束装置分为第一光束和第二光束；

S220：第一光束反射至第一光功率计处，通过第一光功率计获取与第一光束对应的第一功率；

S230：第二光束经棱镜射入衍射光波导内，并经衍射光波导的耦出光栅射出至第二光功率计处，通过第二光功率计获取与第二光束对应的第二功率；

S240：根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率。

在该耦出光栅衍射效率测试方法方法中，在沿衍射光波导的延伸方向，棱镜设置在耦入光栅和耦出光栅之间，且在Z轴方向上，棱镜与耦入光栅和耦出光栅之间不存在重叠部分，第二光束以垂直棱镜表面的方向入射至棱镜中，并通过棱镜进入衍射光波导中进行传输，最终在耦出光栅或者耦出光栅区射出至第二光功率计处，通过第二光功率计采集对应的第二功率。

需要说明的是，上述根据本发明的光栅衍射效率测试方法的实施例可参考光栅衍射效率测试装置实施例中的描述，此处不再一一赘述。

根据本发明提供的光栅衍射效率测试装置及方法，通过第一光功率计检测光源分光后的第一光束的第一功率，而光源的第二光束经棱镜进入衍射光波导内部，并从衍射光波导射出，或者第二光束进入衍射光波导内部后经棱镜射出，并通过第二光功率计检测经衍射光波导或者棱镜射出的第二光束的第二功率，进而根据第一功率和第二功率确定衍射光波导的衍射效率，能够在不破坏光波导的前提下，对衍射光波导的耦入区及耦出区分别进行衍射效率测试，装置结构简单，测试准确度高。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的光栅衍射效率测试装置及方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的光栅衍射效率测试装置及方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种光栅衍射效率测试装置，其特征在于，包括光源、设置在所述光源与待检测的衍射光波导之间的分束装置、设置在所述衍射光波导一侧的棱镜，以及第一光功率计和第二光功率计，在所述棱镜与所述衍射光波导之间涂抹有折射率匹配剂；其中，

所述分束装置用于将所述光源发射的光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束反射至所述第一光功率计处，所述第一光功率计用于检测所述第一光束的第一功率；

所述第二光束通过所述衍射光波导的耦入光栅进入所述衍射光波导内部后经所述棱镜射出；或者，所述第二光束经所述棱镜进入所述衍射光波导内部，并从所述衍射光波导的耦出光栅射出；

所述第二光功率计用于检测经所述衍射光波导或者所述棱镜射出的第二光束的第二功率；

根据所述第一功率和所述第二功率确定所述衍射光波导的衍射效率。

2.如权利要求1所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，当所述第二光束通过所述衍射光波导的耦入光栅进入所述衍射光波导内部后经所述棱镜射出时，

所述棱镜和所述耦入光栅分别设置在所述衍射光波导的两侧。

3.如权利要求2所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，

所述第二光束垂直耦入所述衍射光波导的耦入光栅中，在所述衍射光波导中产生不同衍射级次的衍射光；

所述衍射光经过所述棱镜导出至所述第二光功率计处。

4.如权利要求3所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，

所述棱镜包括曲面棱镜或者三角棱镜。

5.如权利要求4所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，

当所述棱镜为曲面棱镜时，所述第二光束进入所述曲面棱镜的入射光线与所述曲面棱镜的对应位置的曲面相垂直。

6.如权利要求1所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，当所述第二光束经所述棱镜进入所述衍射光波导内部，并从所述衍射光波导的耦出光栅射出时，

在所述衍射光波导的延伸方向上，所述棱镜设置在所述耦入光栅和所述耦出光栅之间。

7.如权利要求6所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，

当所述棱镜为曲面棱镜时，所述第二光束垂直所述曲面棱镜的对应位置的曲面射入所述曲面棱镜中，并经所述曲面棱镜进入所述衍射光波导内部；

进入所述衍射光波导内部的第二光束在所述耦出光栅射出至所述第二光功率计处。

8.如权利要求1所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，

所述耦入光栅和/或所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。

9.如权利要求1所述的光栅衍射效率测试装置，其特征在于，

所述衍射光波导的衍射效率公式表示为：

其中，λ表示所述光源发射的光束的波长，P(λin)表示所述第一功率，P(λout)表示所述第二功率。

10.一种光栅衍射效率测试方法，利用如权利要求1至9任意一项所述的光栅衍射效率测试装置对待检测的衍射光波导进行衍射效率测试；所述方法包括：耦入光栅衍射效率测试方法和耦出光栅衍射效率测试方法；其中，

所述耦入光栅衍射效率测试方法包括：

控制光源发射光束，所述光源发射的光束通过分束装置分为第一光束和第二光束；

所述第一光束反射至第一光功率计处，通过所述第一光功率计获取与所述第一光束对应的第一功率；

所述第二光束通过耦入光栅进入所述衍射光波导内，并经棱镜射出至第二光功率计处，通过所述第二光功率计获取与所述第二光束对应的第二功率；

根据所述第一功率和所述第二功率确定所述衍射光波导的衍射效率；

所述耦出光栅衍射效率测试方法包括：

控制所述光源发射光束，所述光源发射的光束通过分束装置分为第一光束和第二光束；

所述第一光束反射至第一光功率计处，通过所述第一光功率计获取与所述第一光束对应的第一功率；

所述第二光束经棱镜射入所述衍射光波导内，并经所述衍射光波导的耦出光栅射出至所述第二光功率计处，通过所述第二光功率计获取与所述第二光束对应的第二功率；

根据所述第一功率和所述第二功率确定所述衍射光波导的衍射效率。

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