专利名称：一种利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量光栅衍射效率曲线的方法及系统，尤其涉及一种利用抛物面反射镜性质，测量光栅衍射效率的方法及系统。
背景技术：
光栅是一种重要的分光光学元件，广泛应用于现代光学的各个领域。利用光栅的分光性质可以做成各种不同的器件，如光栅尺，光栅光谱仪等。在利用光栅进行实际器件设计时，首先要准确知道光栅周期，光栅折射率调制度及有效厚度等光栅特有参数。这些参数的确定可以通过研究光栅衍射效率曲线得到。在进行光栅衍射效率测量过程中，光栅的衍射角会随着入射光波的入射角变化而改变。当光栅周期较大时，在衍射方向出现了多级衍射，针对某一级次的衍射角随入射角变化不是很明显。针对这样的光栅可以将探测器固定在一个位置，就可以完成衍射效率的测量。但是对于光栅周期很小的光栅，特别对于体光栅来说，当波长不变时，衍射角会随入射角的改变而发生很大的改变，所以，采用固定探测器方法，不能完成对光栅衍射效率的测量。这就要求接受衍射能量的探头能在大角度范围内改变。目前光栅衍射效率的测量，基本上是用电动步机控制转台来改变入射角，手动改变探测器的位置进行测量。这种方法会因探测器的角度改变而人为引入测量误差。同时当光波近似垂直入射到光栅表面时，其衍射光波在入射光波附近。在探测衍射光能量时，探测器将出现挡光现象而使衍射效率的测量出现测量盲区。近来虽然有提出一种实现对光栅衍射效率进行自动扫描测量装置(专利号 CN101545826)，可以直接探测接近全角度范围内的衍射光束，有效的解决了上述衍射效率测量过程中存在的问题。但是该方法在接受衍射能量的过程中，需要对探测器在大范围内随着入射角改变而旋转，这使得测量系统需要很大的空间，不利于将该系统组装成仪器，进行工程测量。同时对于不同入射角需采用两个固定在电动转台上的探测器进行探测，不同探测器记录衍射能量给衍射效率曲线引入误差，也大大的增加了测量系统对实验成本的要求。另外在两个探测器转换的过程中有可能存在测量盲区及判断误差。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统。本发明的思想在于光的传播服从费马原理，即在光所经历的所有可能的传播路径中，实际路径所对应的光程取极值。根据抛物面的几何性质，抛物面上任意一点与焦点的连线经抛物面反射后都平行于抛物面对称轴，因此对于抛物面反射镜而言，由焦点出发的一束光线经抛物面反射镜反射后，反射光线必定平行于抛物面反射镜的光轴。如图1所示， 由焦点发出的光经抛物面反射镜反射，反射光均平行于抛物面镜的光轴方向。
技术方案一种利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率的方法，其特征在于步骤如下步骤1 将激光器发出光按能量1 1的比例分为第一光束和第二光束；步骤2 将其中第一光束进行准直为直径小于Imm的平行光束并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于抛物面反射镜的焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过抛物面反射镜反射形成平行于光轴方向的光束，再经过凸透镜会聚于一点，测量该点的光强数值；步骤3 用测量得到的会聚点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率。一种利用抛物面反射镜得到体光栅衍射效率角度选择性曲线的方法，其特征在于从0°到-90°或者从0°到90°之间改变照射到被测光栅上第一光束的入射角，循环下述步骤步骤(1)将激光器发出光按能量1 1的比例分为第一光束和第二光束；步骤O)将其中第一光束进行准直为直径小于Imm的平行光束并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于抛物面反射镜的焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过抛物面反射镜反射形成平行于光轴方向的光束，再经过凸透镜会聚于一点，测量该点的光强数值；步骤(3)用测量得到的会聚点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍，得到该入射角时被测光栅的衍射效率；得到0°到-80°或者0°到80°之间的衍射效率系列值，以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到被测光栅衍射效率的角度选择性曲线；所述入射角的改变量步进值小于2°。一种实现所述利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率方法的系统，其特征在于包括激光器1、光束分束器2、扩束准直镜10，椭球反射镜6、第二光功率探测器7和第一光功率探测器8 ；在激光器1的激光光路上设置光束分束器2，光束分束器2将激光器1发出的光束分为光强比为1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器 7测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜10，将其准直为直径小于Imm 的平行光束，被测光栅5设置在准直光束的光路上，抛物面反射镜6设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为抛物面反射镜的焦点，在抛物面反射镜的反射光路上，与光轴垂直方向设置一凸透镜9，在凸透镜9后焦平面焦点位置设置第一光功率探测器8，测量抛物面反射镜的反射光强度；用第一光功率探测器8测量得到的光强数值除以第二光功率探测器7测量得到的光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率。一种实现所述利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率得到角度选择性曲线的系统， 其特征在于包括激光器1、光束分束器2、扩束准直镜10，椭球反射镜6、第二光功率探测器 7和第一光功率探测器8 ；在激光器1的激光光路上设置光束分束器2，光束分束器2将激光器1发出的光束分为光强比为1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器7测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜10，将其准直为直径小于Imm的平行光束，被测光栅5设置在准直光束的光路上，抛物面反射镜6设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为抛物面反射镜的焦点，在抛物面反射镜的反射光路上，与光轴垂直方向设置一凸透镜9，在凸透镜9后焦平面焦点位置设置第一光功率探测器8，测量抛物面反射镜的反射光强度；将被测光栅置于旋转台3上，第一光功率探测器8置于凸透镜9后焦平面焦点位置，调整扩束准直镜10 后的平行光束照射到被测光栅上，转动旋转台3使得被测光栅上平行光束的入射角从0° 到-80°或者0°到80°之间改变，改变量步进值小于2°，使用第一光功率探测器8在入射角从0°到-80°或者0°到80°之间改变时测得抛物面反射镜上第二光束的反射光强度；在每次变化中用第一光功率探测器8测量得到的光强数值除以第二光功率探测器7测量得到的光强的两倍，得到变化的被测光栅的系列衍射效率。
所述被测光栅为反射式光栅或透射式光栅。有益效果本发明提出的一种利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统，将抛物面反射镜引入到测量系统。抛物面反射镜的特点是将从焦点发出的所有光经抛物面反射镜反射，反射光束都沿平行于光轴方向，经垂直于反射镜光轴的凸透镜汇聚于凸透镜后焦平面焦点位置，探测器的探头固定在凸透镜后焦平面焦点位置。这样照明光波以任意角度入射到光栅上的光都可以被探测器探头接收。该系统可以在大角度范围内实时的接受衍射光能量。可以对衍射光能量进行全程探测，节省了系统空间。有效缩小该测量系统的体积和减轻其重量，同时实现了衍射效率的实时定点测量。此外，只需整体调整抛物面反射镜、光栅入射点及探测器探头位置，即可适用于不同探测角度范围需求，具有很高的通用性。
图1 是从抛物面反射镜一个焦点上发出的不同方向的光经抛物面反射镜反射， 反射光沿平行于抛物反射镜光轴方向的示意图；图2 是本发明测量反射式光栅衍射效率的系统结构示意图；图3 是本发明测量透射式光栅衍射效率的系统结构示意图；图4 是本发明测量的被测光栅衍射效率的角度选择性曲线图中1-激光器，2-光束分束器，3-旋转台，4-三维调节架，5-反射式光栅，6_椭球面反射镜，7-第二光功率探测器，8-第一光功率探测器，9-凸透镜，10-扩束准直镜， 11-透射式光栅。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述实施例一本发明设计的一种利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率的系统结构示意图如图2所示，包括激光器1，光束分束器2，旋转台3，三维调节架4，反射式光栅5，抛物面反射镜6，第二光功率探测器7，第一光功率探测器8，凸透镜9，扩束准直镜10。所述的一种实现所述利用抛物面反射镜测量反射式光栅衍射效率的系统的工作流程如下光纤耦合输出He-Ne激光器1发出的波长为632nm的激光束经分光比为1 1 的光纤分束器2分为第一光束和第二光束；第二光束的光强P1被第二光功率探测器探测测量；将反射式光栅5固定在三维调节架4上，并整体固定于旋转台3上，；第一光束被扩束准直镜10扩束准直成直径不大于Imm的平行光束并入射到反射式光栅5上；调整三维调节架4和旋转台3，并设置抛物面反射镜6的焦点位置与光束入射点重合，使反射式光栅5的衍射光束被抛物面反射镜6反射后形成平行于入射光束的反射光；反射光经过凸透镜9后照射到位于其后焦平面会聚点位置的第一光功率探测器8上，并测量得到其强度值P2 ；用测量得到的会聚点处的光强数值P2除以第二光束光强P1的两倍，得到被测光栅的衍射效率； 以0.00125°的精度改变从40°到55°改变平行光束并入射到反射式光栅5上的入射角， 得到衍射效率系列值；以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到如图4所示的被测光栅衍射效率的角度选择性曲线。实施例二 本发明设计的一种利用抛物面反射镜测量透射式光栅衍射效率的系统结构示意图如图3所示，包括激光器1，光束分束器2，旋转台3，三维调节架4，透射式光栅 11，抛物面反射镜6，第二光功率探测器7，第一光功率探测器8，凸透镜9，扩束准直镜10。所述的一种实现所述利用抛物面反射镜测量透射式光栅衍射效率的系统的工作流程如下光纤耦合输出He-Ne激光器1发出的波长为632nm的激光束经分光比为1 1 的光纤分束器2分为第一光束和第二光束；第二光束的光强P1被第二光功率探测器探测测量；将透射式光栅11固定在三维调节架4上，并整体固定于旋转台3上，；第一光束被扩束准直镜10扩束准直成直径不大于Imm的平行光束并入射到透射式光栅11上；调整三维调节架4和旋转台3，并设置抛物面反射镜6的焦点位置与光束入射点重合，使透射式光栅11 的衍射光束被抛物面反射镜6反射后形成平行于入射光束的反射光；反射光经过凸透镜9 后照射到位于其后焦平面会聚点位置的第一光功率探测器8上，并测量得到其强度值P2 ； 用测量得到的会聚点处的光强数值P2除以第二光束光强P1的两倍，得到被测透射式光栅的衍射效率；以0.00125°的精度改变从40°到55°改变平行光束并入射到透射式光栅11 上的入射角，得到衍射效率系列值；以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到如图4所示的被测透射式光栅衍射效率的角度选择性曲线。
权利要求
1.一种利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率的方法，其特征在于步骤如下步骤1 将激光器发出光按能量1 1的比例分为第一光束和第二光束；步骤2 将其中第一光束进行准直为直径小于Imm的平行光束并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于抛物面反射镜的焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过抛物面反射镜反射形成平行于光轴方向的光束，再经过凸透镜会聚于一点，测量该点的光强数值；步骤3 用测量得到的会聚点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍， 得到被测光栅的衍射效率。
2.一种利用抛物面反射镜得到体光栅衍射效率角度选择性曲线的方法，其特征在于 从0。到-90°或者从0°到90°之间改变照射到被测光栅上第一光束的入射角，循环下述步骤步骤(1)将激光器发出光按能量1 1的比例分为第一光束和第二光束；步骤O)将其中第一光束进行准直为直径小于Imm的平行光束并以入射角照射到被测光栅上，调整入射角的入射点位于抛物面反射镜的焦点处；光束经被测光栅衍射后再经过抛物面反射镜反射形成平行于光轴方向的光束，再经过凸透镜会聚于一点，测量该点的光强数值；步骤(3)用测量得到的会聚点处的光强数值除以步骤1分束后的第二光束光强的两倍，得到该入射角时被测光栅的衍射效率；得到0°到-80°或者0°到80°之间的衍射效率系列值，以入射角为横轴，衍射效率为纵轴，得到被测光栅衍射效率的角度选择性曲线；所述入射角的改变量步进值小于2°。
3.一种实现权利要求1所述利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率方法的系统，其特征在于包括激光器(1)、光束分束器O)、扩束准直镜(10)，椭球反射镜(6)、第二光功率探测器(7)和第一光功率探测器(8)；在激光器(1)的激光光路上设置光束分束器0)，光束分束器( 将激光器(1)发出的光束分为光强比为1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器(7)测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜(10)，将其准直为直径小于Imm的平行光束，被测光栅( 设置在准直光束的光路上，抛物面反射镜(6)设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为抛物面反射镜的焦点，在抛物面反射镜的反射光路上，与光轴垂直方向设置一凸透镜(9)，在凸透镜(9)后焦平面焦点位置设置第一光功率探测器(8)，测量抛物面反射镜的反射光强度；用第一光功率探测器(8)测量得到的光强数值除以第二光功率探测器 (7)测量得到的光强的两倍，得到被测光栅的衍射效率。
4.一种实现权利要求2所述利用抛物球面反射镜测量光栅衍射效率得到角度选择性曲线的系统，其特征在于包括激光器(1)、光束分束器O)、扩束准直镜(10)，椭球反射镜 (6)、第二光功率探测器(7)和第一光功率探测器(8)；在激光器(1)的激光光路上设置光束分束器O)，光束分束器( 将激光器(1)发出的光束分为光强比为1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中设置第二光功率探测器(7)测得第二光束的光强；在第一光束的光路中设置扩束准直镜(10)，将其准直为直径小于Imm的平行光束，被测光栅(5)设置在准直光束的光路上，抛物面反射镜(6)设置在被测光栅衍射光束的光路上；其中准直平行光束在被测光栅上的入射点为抛物面反射镜的焦点，在抛物面反射镜的反射光路上，与光轴垂直方向设置一凸透镜(9)，在凸透镜(9)后焦平面焦点位置设置第一光功率探测器(8)，测量抛物面反射镜的反射光强度；将被测光栅置于旋转台(3)上，第一光功率探测器(8)置于凸透镜(9)后焦平面焦点位置，调整扩束准直镜(10)后的平行光束照射到被测光栅上，转动旋转台C3)使得被测光栅上平行光束的入射角从0°到-80°或者0°到80° 之间改变，改变量步进值小于2°，使用第一光功率探测器(8)在入射角从0°到-80°或者0°到80°之间改变时测得抛物面反射镜上第二光束的反射光强度；在每次变化中用第一光功率探测器(8)测量得到的光强数值除以第二光功率探测器(7)测量得到的光强的两倍，得到变化的被测光栅的系列衍射效率。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于所述被测光栅为反射式光栅(5)或透射式光栅(11)。
全文摘要
本发明涉及一种利用抛物面反射镜测量光栅衍射效率的方法及系统，将抛物面反射镜引入到测量系统。抛物面反射镜的特点是将从焦点发出的所有光经抛物面反射镜反射，反射光束都沿平行于光轴方向，经垂直于反射镜光轴的凸透镜汇聚于凸透镜后焦平面焦点位置，探测器的探头固定在凸透镜后焦平面焦点位置。这样照明光波以任意角度入射到光栅上的光都可以被探测器探头接收。本发明在大角度范围内实时的接受衍射光能量，对衍射光能量进行全程探测，节省了系统空间，缩小体积和减轻其重量，同时实现了衍射效率的实时定点测量。此外，只需整体调整抛物面反射镜、光栅入射点及探测器探头位置，即可适用于不同探测角度范围需求，具有很高的通用性。
文档编号G01M11/02GK102539122SQ201210007710
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者吴冰静, 姜宏振, 张颜艳, 王骏, 赵建林, 邸江磊, 陈鑫 申请人:西北工业大学