大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的测量装置和方法与流程

文档序号：16599764发布日期：2019-01-14 20:12阅读：701来源：国知局

本发明属于光栅衍射效率光谱测量技术领域，尤其涉及一种大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的测量装置和方法。

背景技术：

大口径光栅(对角线尺寸达到米级)在基于惯性约束核聚变的高功率啁啾脉冲放大系统、大口径天文望远镜、精密位移测量、纳米压印光刻以及其他诸多科学技术领域中起着至关重要的作用，而大口径范围内的衍射效率光谱及其均匀性是大口径光栅最重要的性能指标之一，大口径内衍射效率光谱的准确测量对于评价大口径光栅的性能、改进其加工工艺有着重要的意义。对于目前国际上普遍采用的大口径光栅衍射效率测量装置，基于该测量系统，大口径光栅衍射效率测量的方法可以比较准确的完成大口径光栅衍射效率的测量，但其只能测量单个波长位置处(如1053nm)大口径光栅的衍射效率及其均匀性，这是由于入射波长变化时衍射光的传播方向会发生变化的原因。

为了测量大口径光栅在特定波段范围(如900-1100nm)的衍射效率光谱及其均匀性，一种比较直观的方法是根据目前国际上常见的小口径光栅衍射效率光谱的测量装置和测量方法，构建大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的改进测量装置。

这种装置能够在单色器的工作波长改变时，通过旋转转盘，把测试光探测器旋转到不同波长激光的衍射方向处。但是其主要的缺点时在测量过程中，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，因而测试速度相当缓慢，如测量大口径光栅单个物理位置处在900-1100nm波段范围的衍射效率光谱，通常需要5-8分钟的时间，那么如果要测量尺寸为1000×500mm的大口径光栅，按照采样距离为10mm来计算，一共5000个采样点，测量总共需要20天左右的时间；另外一个缺点是测量系统非常庞大，造价非常昂贵。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的测量装置和方法，能快速测量大口径光栅的衍射效率光谱及其均匀性，并且结构紧凑，造价成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的测量装置，包括激光光源、光阑、偏振片、分束器、参考光探测器、聚焦透镜、积分球和测试光探测器，沿激光传播方向依次设置光阑、偏振片和分束器，分束器将入射光束分为参考光束和测试光束，参考光束照射在参考光探测器上，测试光束照射在待测光栅上，经过该衍射光栅衍射后，入射到聚焦透镜，经聚焦透镜聚焦后射入积分球，漫反射光被测试光探测器接收。光阑用于过滤杂散光和调节入射激光束的孔径，偏振片用于产生测量所需要偏振态的线偏振光，参考光探测器用于测量参考光束的光强，聚焦透镜和积分球用于收集待测光栅的衍射光束，测试光探测器用来测量衍射光束的强度。

按上述技术方案，还包括快电子学组件，用于远程控制滤波器、参考光探测器和测试光探测器，实现数据采集和数据处理。

按上述技术方案，还包括二维扫描机构，二维扫描机构由载物台、竖直方向的光学精密位移台、水平方向的光学精密位移台组成，二维扫描机构用于移动待测大口径光栅样品依次测得大口径光栅各个位置的衍射效率光谱，竖直方向的光学精密位移台和水平方向的光学精密位移台分别经步进电机控制器与计算机相连。

按上述技术方案，还包括滤波器，所述激光光源为超连续谱激光光源，滤波器设置在超连续谱激光光源与光阑之间。超连续谱激光光源用于为测量系统提供复色激光光源，滤波器用于把复色光源转化成单色的入射光束。

按上述技术方案，滤波器为液晶可调谐滤波器或声光滤波器。

本发明还提供一种大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的测量方法。

包括以下步骤：

①在激光光源关闭的情况下测量参考光探测器和测试光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把滤波器的出射波长设置为λ1，然后测量参考光探测器和测试光探测器的明场强度值，分别记为和

④把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探测器和测试光探测器的明场强度值，分别记为和和……和

⑤在测试光路中安装待测光栅，接着把聚焦透镜、积分球和测试光探测器放置于衍射光束的出射方向处；使入射光照射在待测光栅的起始点上；

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

⑦把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探测器和测试光探测器的信号强度值，分别记为和和……和

⑧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，按照如下公式，分别计算波长为λ1,λ2,λ3……λn时待测光栅在该测量位置处的衍射效率值：

⑨利用二维扫描机构竖直方向的光学精密位移台和水平方向的光学精密位移台，将入射光斑移动到大口径光栅下一个测量点的位置，重复步骤⑥、⑦、⑧，计算大口径光栅样品在下一测量点的衍射效率；根据衍射效率λ1,λ2,λ3……λn，绘制待测光栅在该点的衍射效率光谱曲线。

⑩重复步骤⑨，使扫描路径覆盖大口径光栅的整个工作区域，从而完成大口径光栅衍射效率的测量。并根据测得的衍射效率绘制待测光栅在各点处的衍射效率光谱曲线，完成光栅衍射效率光谱的测量。

按上述技术方案，所述步骤⑤中，使入射光照射在待测光栅的起始点上，具体通过移动二维扫描机构竖直方向的光学精密位移台和水平方向的光学精密位移台实现。

本发明产生的有益效果是：(1)本发明装置及方法可以对大口径光栅的衍射效率光谱及其均匀性进行准确的测量，同时可以在较短的时间内完成测量(对于尺寸为1000×500mm的大口径光栅，现有的测量方法需要20天左右的时间，本方法仅需要3小时左右即可完成测量)。

(2)与现有大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的测量装置和测量方法相比，本发明构建的测量系统具有结构紧凑，造价成本低的优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例大口径光栅衍射效率光谱及其均匀性的测量装置示意图；

图2是大口径光栅衍射效率的测量装置中的二维扫描机构的三维结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一个实施例中，如图1所示，一种大口径光栅衍射效率光谱的测量装置，如图1所示，包括超连续谱激光光源1、滤波器2、光阑3、偏振片4、分束器5、参考光高速探测器6、待测光栅9、聚焦透镜13、积分球14、测试光高速探测器7、快电子学组件15和二维扫描机构8。

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2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6用于测量参考光束的光强，聚焦镜13和积分球14用于收集光栅9的衍射光束，测试光高速探测器7用来测量衍射光束的强度。快电子学组件远程控制声光滤波器2、参考光高速探测器6和测试光高速探测器7，实现数据采集和数据处理。二维扫描机构8由载物台10、竖直方向的光学精密位移台11、水平方向的光学精密位移台12组成，竖直方向的光学精密位移台11和水平方向的光学精密位移台12分别经步进电机控制器与计算机相连。

在本实施例中，光源1采用fianium超连续谱激光器，滤波器2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，偏振片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6采用newport的12ghzgaas探测器，聚焦透镜13选用thorlabs的双凸透镜，积分球14和测试光高速探测器7采用newport的819c系列ingaas探测器，载物台10、竖直方向的光学精密位移台11、水平方向的光学精密位移台12及其他机械部件均由上海联谊光纤激光器公司定制完成。

本发明方法实施例中，