偏置角可调中阶梯光栅效率测试仪的光路结构及测试方法与流程

本发明属于光学系统设计、光学仪器技术领域，特别涉及一种偏置角可调的中阶梯光栅衍射效率测试仪的光路结构及测试方法。

背景技术：

中阶梯光栅光谱仪凭借其高光谱分辨率、宽谱段、全谱直读等优异的性能在现代光谱仪器中得到广泛应用。中阶梯光栅作为光谱仪中的关键元件，衍射效率为其最重要的参数之一，对中阶梯光栅光谱仪的性能起着决定性的作用。衍射效率分为绝对衍射效率和相对衍射效率。在实际测量中，衍射效率通常指的是相对衍射效率，即探测器接收到的给定衍射级次和波长的衍射光通量与接收到的参考反射镜的反射光通量之比。若无特别说明，后文提到的衍射效率均为相对衍射效率。

为了更加准确的衡量中阶梯光栅在光谱仪器中的工作状态及能量传输效果，有必要对中阶梯光栅在其工作状态下的衍射效率进行测量。然而，中阶梯光栅生产厂商提供的衍射效率曲线并不能够准确反映中阶梯光栅工作状态下的性能水平，这对于中阶梯光栅光谱仪的设计及使用产生一定的局限。现有技术中，中国发明专利申请no.201810032110.4公开了一种‘自准直式中阶梯光栅衍射效率测试装置’，该装置仅能测试中阶梯光栅在自准直状态下各衍射级次中心波长的相对衍射效率，无法评估中阶梯光栅在光谱仪器真实状态下的能量传输能力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种偏置角可调的中阶梯光栅衍射效率测试仪的光路结构及其测试方法。根据中阶梯光栅锥面衍射理论，设计中阶梯光栅在测试仪中的工作状态。该光路结构可实现不同结构尺寸、不同技术参数的中阶梯光栅衍射效率的测量。同时，根据用户提供的中阶梯光栅的工作状态，调节衍射效率测试仪的偏置角度，实现中阶梯光栅真实工作状态下衍射效率的测量。

本发明的设计思想是根据中阶梯光栅锥面衍射理论，结合中阶梯光栅在光谱仪中的工作状态，设计放置中阶梯光栅的双层旋转平台，通过双层旋转平台的旋转实现中阶梯光栅偏置角的改变和波长范围的调节，实现中阶梯光栅工作状态下的衍射效率的测量。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种偏置角可调中阶梯光栅衍射效率测试仪的光路结构，包括光源1、前置光路2、测量光路3和探测系统4，所述光源1用于为中阶梯光栅衍射效率的测量提供连续的测试波长，所述前置光路2对光源1发出的光进行分光，用于为中阶梯光栅衍射效率的测量提供单色光，所述测量光路3用于实现中阶梯光栅衍射效率的测量，所述探测系统4用于接收从测量光路3出射的光电信号。

所述测量光路3按光束的传播轨迹顺序包括中间狭缝5、准直镜6、待测元件、聚焦镜模块10和出射狭缝11。

所述待测元件通过双层旋转平台7安装在光路中，待测元件为待测中阶梯光栅8或参考反射镜9。

所述双层旋转平台7包括上层旋转台和下层旋转台，下层旋转台通过旋转实现待测中阶梯光栅8不同偏置角的设置，上层旋转台实现中阶梯光栅8不同测试波长范围的扫描。

所述聚焦镜模块10处设置有刻度标尺12，所述刻度标尺12的刻度根据待测中阶梯光栅8的偏置角设置，所述聚焦镜模块10设置在与偏置角相对应的刻度标尺12的刻度位置上。

所述待测中阶梯光栅8的偏置角的可调范围为3°～10°。

所述光源1为氘灯或钨灯。

所述中阶梯光栅8和参考反射镜9具有分别对应的待测元件夹具。

所述前置光路2采用c-t水平扫描光栅单色仪、交叉型扫描光栅单色仪或棱镜扫描单色仪。

根据待测中阶梯光栅8的基本参数和测试偏置角，选择相应的聚焦镜模块10；所述基本参数包括刻线密度和闪耀角。

所述聚焦镜模块10包括可转换的多种聚焦镜，能够根据不同偏置角选择所需聚焦镜。

本发明提供一种利用所述的光路结构的中阶梯光栅衍射效率的测量方法，所述方法包括如下步骤：

1)选择并设置聚焦镜模块10：

将待测中阶梯光栅8安装在双层旋转平台7上，通过转动双层旋转平台7的下层旋转台将待测中阶梯光栅8的测试偏置角设置为待测中阶梯光栅8工作状态下的目标偏置角；然后，根据将待测中阶梯光栅8的基本参数和测试偏置角，选择相应的聚焦镜模块10，放置在刻度标尺12与测试偏置角相应位置上；所述基本参数包括刻线密度和闪耀角；

2)待测样品中阶梯光栅8衍射光通量的测试：

根据光源1发出的测试波长，前置光路2提供对应波长的单色光，通过双层旋转平台7的上层旋转台的旋转将待测中阶梯光栅8的不同波长的衍射光照射到聚焦镜模块10上，聚焦镜模块10将光束聚焦至出射狭缝11处，探测系统4采集待测中阶梯光栅8不同衍射级次不同自由光谱区的衍射光通量；

3)参考反射镜9反射光通量的测试：

将中阶梯光栅8从双层旋转平台7上拆卸下来，将参考反射镜9固定在双层旋转平台7上；

同步骤2)一致，根据测试波长，前置光路2提供对应波长的单色光，通过双层旋转平台7的上层旋转台的旋转将参考反射镜9的不同波长的反射光照射到聚焦镜模块10上，聚焦镜模块10将光束聚焦至出射狭缝11处，探测系统4采集参考反射镜9不同波长的反射光通量；

4)将步骤2)的衍射光通量与步骤3)反射光通量相比，获得待测中阶梯光栅8的衍射效率，绘制衍射效率关于波长的曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明根据待测中阶梯光栅在光谱仪中的工作状态，利用双层旋转平台实现待测中阶梯光栅偏置角的设置和待测波长的扫描，选择合适的聚焦镜模块实现衍射光通量和反射光通量的采集，从而实现中阶梯光栅真实工作状态下衍射效率的测试，能够更加准确的评价中阶梯光栅在光谱仪中的能量传输性能。

附图说明

图1为本发明偏置角可调的中阶梯光栅衍射效率测试仪的光路结构的结构示意图；

图2为中阶梯光栅不同偏置角度情况下聚焦镜模块10在刻度标尺12上的位置示意图；

图3为光谱仪在不同偏置角的情况下，工作状态能量传输能力模拟曲线与效率测试仪测试衍射效率模拟曲线的对比图。

其中的附图标记为：

1光源

2前置光路

3测量光路

4探测系统

5中间狭缝

6准直镜

7双层旋转平台

8待测中阶梯光栅

9参考反射镜

10聚焦镜模块

11出射狭缝

12刻度标尺

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明偏置角可调的中阶梯光栅衍射效率测试仪的光路结构包括光源1、前置光路2、测量光路3、探测系统4。

其中，光源1为中阶梯光栅衍射效率的测量提供连续地测试波长，前置光路2对光源1发出的光进行分光，为中阶梯光栅衍射效率的测量提供单色光，测量光路3用于实现中阶梯光栅衍射效率的测量，探测系统4用于接收从测量光路3出射的光电信号。

所述测量光路3按光束的传播轨迹顺序包括中间狭缝5、准直镜6、待测元件、聚焦镜模块10和出射狭缝11。

所述待测元件通过双层旋转平台7安装在光路中，待测元件为待测中阶梯光栅8或参考反射镜9。

所述双层旋转平台7包括上层旋转台和下层旋转台，下层旋转台实现待测中阶梯光栅8偏置角的设置，上层旋转台实现中阶梯光栅8测试波长范围的扫描。

所述聚焦镜模块10处设置有刻度标尺12，所述刻度标尺12的刻度根据待测中阶梯光栅8的偏置角设置，所述聚焦镜模块10设置在与偏置角相对应的刻度标尺12的刻度位置上。

所述待测中阶梯光栅8的偏置角的可调范围为3°～10°，能够适应绝大多数中阶梯光栅的工作状态。

中阶梯光栅8和参考反射镜9具有分别对应的待测元件夹具。

为测试提供单色光的前置光路2采用扫描单色仪，可以根据需要选择c-t水平扫描光栅单色仪、交叉型扫描光栅单色仪或棱镜扫描单色仪等。

聚焦镜模块10为待测中阶梯光栅8不同偏置角设计多种聚焦镜，根据测试需求可直接更换。

本发明按照结构示意图实施。如图1所示，根据测试波长范围选择合适的光源。本发明中，测试波长190nm-400nm，选择氘灯，测试波长400nm-2500nm，选择钨灯。如图2所示，待测中阶梯光栅8的偏置角为3°时，聚焦镜模块10应该放置在刻度标尺12标记的3°对应的位置上；待测中阶梯光栅8的偏置角为4°时，聚焦镜模块10应该放置在刻度标尺12标记的4°对应的位置上；待测中阶梯光栅8的偏置角为5°时，聚焦镜模块10应该放置在刻度标尺12标记的5°对应的位置上，以此类推……，待测中阶梯光栅8的偏置角为10°时，聚焦镜模块10应该放置在刻度标尺12标记的10°对应的位置上。刻度标尺12仅标注了偏置角3°～10°之间间隔1°对应的位置，但不仅限于此范围，可以根据需求分割更细。当偏置角度为整数之间的数值时，可以四舍五入，根据近似的偏置角度进行衍射效率的测量。

本发明待测中阶梯光栅8的衍射效率的测量通过如下步骤实施：

第一步骤，将待测中阶梯光栅8安装在双层旋转平台7上，通过转动双层旋转平台7的下层旋转台将待测中阶梯光栅8的测试偏置角设置为待测中阶梯光栅8工作状态下的目标偏置角；然后，根据将待测中阶梯光栅8的基本参数和测试偏置角，选择相应的聚焦镜模块10，放置在刻度标尺12与测试偏置角相应位置上；所述基本参数包括刻线密度和闪耀角。

第二步骤，待测样品中阶梯光栅8衍射光通量的测试。

光源1发出的光经前置光路2分光后，通过中间狭缝5进入测量光路3，光束经中间狭缝5照射到准直镜6上，经准直镜6反射后照射到待测中阶梯光栅8上。

根据光源1发出的测试波长，前置光路2提供对应波长的单色光，通过双层旋转平台7的上层旋转台的旋转将待测中阶梯光栅8的不同波长的衍射光照射到聚焦镜模块10上，聚焦镜模块10将光束聚焦至出射狭缝11处，探测系统4采集待测中阶梯光栅8不同衍射级次不同自由光谱区的衍射光通量；

第三步骤，参考反射镜9反射光通量的测试。

将中阶梯光栅8从双层旋转平台7上拆卸下来，将参考反射镜9固定在双层旋转平台7上。

同第二步骤一致，根据测试波长，前置光路2提供对应波长的单色光，通过双层旋转平台7的上层旋转台的旋转将参考反射镜9的不同波长的反射光照射到聚焦镜模块10上，聚焦镜模块10将光束聚焦至出射狭缝11处，探测系统4采集参考反射镜9不同波长的反射光通量；

第四步骤，将第二步骤的衍射光通量与第三步骤反射光通量相比，获得待测中阶梯光栅8关于测试波长的衍射效率曲线。

实施例

本发明仅以实施例中待测中阶梯光栅的参数说明测试中阶梯光栅工作状态下衍射效率的重要性。

实施例待测中阶梯光栅的基本参数：刻线密度为54.49l/mm，闪耀角为46°，分别计算此款待测中阶梯光栅衍射级次固定、偏置角改变的情况下的波长范围，如表1所示。

表1

测试衍射效率的最终目的是获得效率关于波长的曲线。由表1可以看出，针对某款待测中阶梯光栅，基本参数固定，衍射级次固定，改变偏置角，对应的波长范围变化很大。如图3所示，待测中阶梯光栅的衍射级次为60，如果效率测试仪的偏置角为3°，效率峰值对应波长为439.44nm，扫描波长范围内其它波长的效率值自439.44nm向长短波两侧递减，在435.78nm处的效率值大大低于效率峰值；而如果待测中阶梯光栅工作状态的偏置角为8°，效率峰值对应的波长则为435.76nm，光谱仪在435.76nm处的能量传输性能并非效率测试仪得到的衍射效率值，即衍射效率的模拟曲线在不同偏置角的情况下，衍射效率的峰值对应波长差别比较大，故效率测试仪给出的波长对应的衍射效率就不能反映待测中阶梯光栅在光谱仪工作状态下的能量传输性能，因此需要使用本发明方法测量待测中阶梯光栅8的衍射效率。