原位时间分辨光栅衍射效率光谱测量装置和方法与流程

本发明涉及平面光栅衍射效率光谱的测量领域，特别是一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置和方法。

背景技术：

衍射光栅作为重要的色散元件，在光谱分析、强激光、集成电路、光通信、光学精密测量等领域有着广泛的应用，而衍射效率光谱是光栅最重要的性能指标之一，光栅衍射效率光谱的准确测量对于评价光栅的性能、改进光栅的加工工艺有着重要的意义。目前国际上普遍采用的光栅衍射效率光谱测量仪器[1,2]的结构如图1所示，主要包括光源1、单色器2、光阑3、起偏器4、分束器5、参考光探测器6、待测光栅固定机架7、旋转转盘8、待测光栅9、探测器连接杆10和测试光探测器11，基于该测量系统，光栅衍射效率光谱测量的主要过程如下：

①在激光光源关闭的情况下测量参考光探测器和测试光探测器的暗场强度值；

②打开激光光源，在光路中不放置样品，使测试光束照射在积分球上，然后被测试光探测器所收集；

③把单色器的工作波长设置为λ1，然后测量参考光探测器和测试光探测器的明场强度值；

④把单色器的工作波长依次设置为λ2,λ3……λn，分别重复步骤③，得到各个波长下参考光探测器和测试光探测器的明场强度值；

⑤在测试光束中安装待测光栅，把单色器的工作波长设置为λ1，然后用该单色光照射待测光栅，接着旋转转盘通过连杆把测试光探测器旋转到待测光栅在波长λ1照射下衍射光束的出射方向处，最后测量此时参考光探测器和测试光探测器的信号强度值；

⑥把单色器的工作波长依次设置为λ2,λ3……λn，分别重复步骤⑤，得到各个波长下参考光探测器和测试光探测器的信号强度值；

⑦根据参考光探测器和测试光探测器的暗场强度值，以及在各个波长下的明场强度值和信号强度值，分别计算波长为λ1,λ2,λ3……λn时光栅的衍射效率，进而得到待测光栅的衍射效率光谱。

这种装置和方法可以比较准确的完成光栅衍射效率光谱的测量，但是其主要缺点是在测量过程中，单色器内部的机械结构和固定测试光探测器的机械转盘需要断断续续的完成不连续的间歇运动，因而光栅衍射效率光谱的测试速度比较缓慢，如为得到800nm-1100nm波段范围内的光谱曲线，往往需要3-5分钟左右的时间，而在实际的光栅衍射效率光谱的测试过程中，为了观察光栅衍射效率的光谱特性在温度、湿度、激光损伤等环境因素下的动态变化情况，需要光栅衍射效率光谱能够在较短的时间内完成，目前普遍采用的测试装置和方法显然是无法胜任的。

参考文献：

[1]k.he,j.p.wang,y.q.hou,x.li,h.y.guan,f.y.kong,etal.,"high-spectral-resolutioncharacterizationofbroadbandhigh-efficiencyreflectiongratings,"appliedoptics,vol.52,pp.653-658,2013.

[2]l.yang,"specializedscatterometrymethodsfortwotypesofgratingswithdistinctgrooveprofiles,"modelingaspectsinopticalmetrologyv,vol.9526,2015.

技术实现要素：

为了解决现有光栅衍射效率光谱测量装置和测量方法中存在的问题，本发明专利提供一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置和方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置，其特点在于，包括超连续谱激光光源、滤波器、光阑、偏振片、分束器、参考光高速探测器、待测光栅、聚焦透镜、积分球、测试光高速探测器和快电子学组件；

沿所述的超连续谱激光光源的光束出射方向依次放置所述的声光滤波器、光阑、偏振片和分束器，该分束器将入射光束分为反射光束和透射光束，该反射光束作为参考光束，在该参考光束传播方向是所述的参考光高速探测器，所述的透射光束作为测试光束，在该测试光束传播方向是待测光栅，测试光束经所述衍射光栅衍射后，入射到所述的聚焦透镜，经该聚焦透镜聚焦后，射入所述的积分球后，漫反射光被所述的测试光高速探测器接收，该测试光高速探测器的输出端与所述的快电子学组件的第一输入端相连，所述的参考光高速探测器的输出端与所述的快电子学组件的第二输入端相连，所述的滤波器的输出端与所述的快电子学组件的第三输入端相连。

所述的滤波器为声光滤波器或液晶可调谐滤波器。

所述的原位时间分辨测量光栅衍射效率光谱的测量装置进行测量的方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

①在超连续谱激光光源关闭的情况下测量参考光高速探测器和测试光高速探测器的暗场强度值；

②在光路中不放置待测光栅，使测试光束直接经过聚焦透镜后照射在积分球上；

③设滤波器的出射波长为λ1，然后测量参考光高速探测器和测试光高速探测器的明场强度值，分别记为和

④设滤波器的出射波长依次为λ2,λ3……λn，分别重复步骤③，得到各个波长下参考光高速探测器(13)和测试光高速探测器的明场强度值，分别记为和和和

⑤在光路中放置待测光栅，并将聚焦透镜、积分球和测试光高速探测器放置于衍射光束的出射方向处；

⑥设滤波器的出射波长为λ1，用该单色光照射待测光栅，然后测量参考光高速探测器和测试光高速探测器的信号强度值，分别记为和

⑦设滤波器的出射波长依次为λ2,λ3……λn，分别重复步骤⑥，得到各个波长下参考光高速探测器和测试光高速探测器的信号强度值，分别记为和和和

⑧根据参考光高速探测器和测试光高速探测器的暗场强度值，以及在各个波长下的明场强度值和信号强度值，按照如下公式，分别计算波长为λ1,λ2,λ3……λn时待测光栅的衍射效率：

⑨根据衍射效率绘制待测光栅的衍射效率光谱曲线，完成光栅衍射效率光谱的测量。

与现有普遍采用的光栅衍射效率光谱的测量方法相比(在测量过程中，单色器内部的机械组件和固定测试光探测器的转盘需要断断续续的完成间歇不连续的运动，因而光栅衍射效率光谱的测试速度比较缓慢，如对于800nm-1100nm波段范围内衍射效率光谱的测量，大约需要3-5分钟左右的时间)，本发明在光栅衍射效率光谱的测量过程中，由于不存在任何机械部件的运动(波长是通过声光滤波器来调节的，衍射光束是通过聚焦透镜和积分球来组合收集的)，因而可以大大提高光栅衍射效率光谱的测量速度(对于800nm-1100nm波段范围内衍射效率光谱的测量，最快可以在1秒钟内完成)，可应用于温度、湿度以及激光辐照损伤等因素变化下光栅衍射效率光谱的动态测量环境中。

附图说明

图1是现有光栅衍射效率光谱的测量装置示意图；

图2是本发明专利提出的光栅衍射效率光谱的测量装置示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

图2是基于本发明专利的思想，构建的原位时间分辨光栅衍射效率光谱测量装置的结构图，光源采用fianium超连续谱激光器，单色器12采用cti的aotf声光滤波器，光阑3采用thorlabs公司id20接杆安装可变光阑，起偏器4采用thorlabs公司的lpvis050-mp2形线偏振片，分束器5采用thorlabs公司的cm1-bp145b2笼式立方体安装的薄膜分束器，参考光高速探测器13采用newport的12ghzgaas探测器，聚焦透镜14选用thorlabs的双凸透镜，积分球15和测试光探测器16采用newport的819c系列ingaas探测器，其他机械部件均由上海联谊光纤激光器公司定制完成。

一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置，包括超连续谱激光光源1，声光滤波器12，光阑3，偏振片4，分束器5，参考光高速探测器13，待测光栅9，聚焦透镜14，积分球15、测试光高速探测器16和快电子学组件17。超连续谱激光光源1用于为测量系统提供复色激光光源，声光滤波器12用于把复色光源转化成单色的入射光束，光阑3用于过滤杂散光和调节入射光束的孔径，偏振片4用于产生测量所需要偏振态的线偏振光，分束器5用于把入射光束分成一束参考光和一束测试光，参考光高速探测器13用于测量参考光束的光强，聚焦镜14和积分球15用于收集光栅9的衍射光束，测试光高速探测器16用来测量衍射光束的强度，快电子学组件17用于远程控制声光滤波器12、参考光高速探测器13和测试光高速探测器16，实现数据采集和数据处理的功能。

一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量方法，包括以下步骤：

①在激光光源关闭的情况下测量参考光高速探测器和测试光高速探测器的暗场强度值；

②在光路中不放置样品，使测试光束直接经过聚焦透镜后照射在积分球上；

③把声光滤波器的出射波长设置为λ1，然后测量参考光高速探测器和测试光高速探测器的明场强度值，分别记为和

④把声光滤波器的出射波长依次设置为λ2,λ3……λn，分别重复步骤③，得到各个波长下参考光高速探测器和测试光高速探测器的明场强度值，分别记为和和和

⑤在测试光束中安装待测光栅，接着把聚焦透镜、积分球和测试光高速探测器放置于衍射光束的出射方向处；

⑥把声光滤波器的出射波长设置为λ1，用该单色光照射待测光栅，然后测量参考光高速探测器和测试光高速探测器的信号强度值，分别记为和

⑦把声光滤波器的出射波长依次设置为λ2,λ3……λn，分别重复步骤⑥，得到各个波长下参考光高速探测器和测试光高速探测器的信号强度值，分别记为和和和

⑧根据参考光高速探测器和测试光高速探测器的暗场强度值，以及在各个波长下的明场强度值和信号强度值，按照如下公式，分别计算波长为λ1,λ2,λ3……λn时待测光栅的衍射效率：

⑨根据绘制待测光栅的衍射效率光谱曲线，完成光栅衍射效率光谱的测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。