一种介质膜光栅检测装置的制作方法

本发明涉及对光学元件的检测设备，尤其涉及对光栅进行检测的光栅检测仪。

背景技术：

光栅是一种常用的光学元件，常作为激光器的选频元件。传统金属光栅损伤阈值低，不适用于高功率激光器。介质膜光栅具有高衍射效率、高损伤阈值和可大尺寸制作等优势，不仅可取代金属光栅用于激光器选频，还可作为惯性约束聚变等大功率激光系统的脉冲压缩光栅，其涉及战略国防，各国家对脉冲压缩光栅的出口和制作检测技术进行严格控制。

对于成品介质膜光栅，准确知晓其各个结构参数对预测光栅的衍射性能、选频性能、脉冲展宽压缩性能等尤为重要。目前，可使用原子力显微镜等对介质膜光栅的浮雕形貌特征进行简单测量。在制作介质膜光栅的离子束刻蚀等工艺过程中总是存在加工误差，致使原本设计的矩形浮雕往往实际为梯形浮雕。然而，现有的光栅测定技术多测量介质膜光栅浮雕结构的槽深、浮雕齿底部宽度和底部占空比。针对梯形浮雕结构，除槽深、浮雕齿底部宽度和底部占空比等结构参数会影响光栅衍射效率以外，梯形浮雕底角对衍射效率的影响亦不容忽略。因此，需要一种技术检测梯形浮雕底角，且明确梯形浮雕底角和光束入射角对衍射效率的影响。

技术实现要素：

本发明提供了一种介质膜光栅检测装置，其包括叠阵光源、转换透镜、介质膜光栅、空间滤波器和输出耦合镜。叠阵光源各子单元的位置和各子单元发出的光束波长由以下公式确定

其中，f为转换透镜的焦距，α0为中心子单元的光束入射角，d为介质膜光栅周期，k为衍射级次，pm为第m个子单元与中心子单元的距离，δλm是第m个子单元与中心子单元发出光束的波长差。

叠阵光源和介质膜光栅分别位于转换透镜的前焦面和后焦面。转换透镜为汇聚透镜；叠阵光源发出的中心子光束与转换透镜光轴重合；转换透镜将叠阵光源发出的具有不同波长的叠阵光束转换为不同的角度入射至介质膜光栅；介质膜光栅将具有不同波长和不同入射角的叠阵光束以相同的k级衍射方向出射；叠阵光束可以克服单光束衍射光能太弱，衍射光能抖动不明显，无法有效判断光能突变点的劣势。

介质膜光栅可旋转地置于光学旋转调整架上，由光学旋转调整架控制介质膜光栅的旋转角度和旋转方向，以此控制叠阵光束相对介质膜光栅的入射角。

空间滤波器置于介质膜光栅衍射方向上，其只让各子光束的k级衍射光束通过，滤除其他衍射光束，避免各子单元衍射光束之间相互重叠发生光束串扰。

输出耦合镜置于介质膜光栅衍射方向上且位于空间滤波器之后，将k级衍射光束的光能耦合输出。

当中心子光束垂直介质膜光栅入射时，记录光学旋转调整架刻度φ0，同方向慢速连续调节光学旋转调整架并同时观察耦合输出光能，至到耦合输出光能突变，记录光学旋转调整架刻度φ1，介质膜光栅梯形浮雕底角计算为π/2-(φ1-φ0)。

继续连续同方向调节光学旋转调整架，光能先递增后递减，记录光能峰值时的光学旋转调整架刻度φ2，则介质膜光栅针对叠阵光束的最佳入射角计算为φ2-φ0。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明通过配置叠阵光源的各子单元位置和波长，使叠阵光束k级衍射光束同向输出，克服单光束衍射光能弱、光束抖动和突变不明显的劣势；其二，利用光学旋转调整架调节叠阵光束相对介质膜光栅的入射角，方便快速地读取旋转角度，简单计算梯形浮雕底角和最佳入射角。光学系统简单，且叠阵光源相比于其他光栅检测仪使用的光谱仪价格低廉，可控性强，实施效果好。

附图说明

图1为本发明的介质膜光栅检测装置的一个实施例的光学元件摆放示意图；

图2为本发明的介质膜光栅检测装置的一个实施例的光束传输示意图；

图3为本发明的介质膜光栅检测装置的一个实施例的介质膜光栅旋转前和旋转后的光束入射示意图；

图4为本发明的介质膜光栅检测装置的一个实施例的耦合输出光束与叠阵光束的光能比值随光学旋转调整架旋转角度变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本实施例的介质膜光栅检测装置包括：叠阵光源1、转换透镜2、介质膜光栅3（含周期性浮雕结构4和介质膜系）、光学旋转调整架5、空间滤波器6和输出耦合镜7。叠阵光源1和介质膜光栅3分别位于转换透镜2的前焦面和后焦面，介质膜光栅3可旋转地置于光学旋转调整架5上，空间滤波器6和输出耦合镜7位于光束的衍射方向上。各光学元件按照光束传输路径顺序摆放，依次为叠阵光源1、转换透镜2、介质膜光栅3、空间滤波器6和输出耦合镜7。

如图2所示，为本实施例的介质膜光栅检测装置的光束传输示意图。叠阵光源的中心子单元8发出的光束与转换透镜光轴重合，中心子光束入射角为α0，第m个子单元9发出的光束通过转换透镜2传输至介质膜光栅的入射角αm为α0+γ=α0+arctan(pm/f)，其中pm为第m个子单元9与中心子单元8的间隔，f为转换透镜焦距。各子光束波长λm、位置pm和入射角αm相互匹配，使得各子光束+1级衍射光束10具有相同的衍射角β。叠阵光源各子单元相对中心子单元的波长差和位置关系由以下公式确定

空间滤波器6置于衍射方向上，只允许+1级衍射光束10通过，滤除其他衍射光和杂散光；输出耦合镜7与+1级衍射光束10传输方向垂直，将+1级衍射光束10的光能耦合输出。

如图3所示，调节光学旋转调整架5，介质膜光栅绕轴11转动。3为旋转前介质膜光栅的初始位置，12为旋转后介质膜光栅的位置。调节光学旋转调整架5，入射光束相对介质膜光栅的角度发生改变，若光束入射角满足αm<π/2-θ2时（θ2为梯形浮雕右底角），光束16受到浮雕结构4的左脊13、梯形顶部14和右脊15的周期性相位调制。继续同方向慢速调节光学旋转调整架5，若光束入射角满足αm>π/2-θ2时，子光束仅受到梯形浮雕的左脊13和梯形顶部14的周期性相位调制，不再受到梯形右脊15的相位调制。即αm=π/2-θ2为衍射光束10的光能突变点。

在调节光学旋转调整架5的过程中，按下面方式做好记录：中心子光束与介质膜光栅垂直时，光学旋转调整架5上的刻度为初始角度，记为φ0。连续调节光学旋转调整架5，同时观察输出耦合镜7耦合输出的光能，光能如图4所示连续增加。继续慢速同方向调节光学旋转调整架5，光能不再稳定增加而是突然抖动，记录抖动时光学旋转调整架5的刻度，记为φ1，则梯形浮雕右底角θ2为π/2-(φ1-φ0)。继续慢速同方向调节光学旋转调整架5，光能先增加后减小，记录光能峰值点时光学旋转调整架5的刻度，记为φ2，则介质膜光栅3针对叠阵光束的最佳入射角计算为φ2-φ0。

如图4所示，为计算的本发明的介质膜光栅检测装置的一个实施例的耦合输出光束与输入光束的光能比随光学旋转调整架5旋转角度的变化规律（θ1为梯形浮雕左底角，θ2为梯形浮雕右底角）。无论浮雕结构4的剖面是等腰梯形（θ1=θ2）还是非等腰梯形（θ1≠θ2），在入射角αm=π/2-θ2时，光能皆存在一个拐点17。继续同方向慢速调节光学旋转调整架5，光能先增加后减小，即介质膜光栅3存在一个最佳入射角使耦合输出光能获得峰值18。

如图4所示，光束垂直入射时记录φ0=0°、φ1=15°、φ2=52°，则对应θ2=π/2-(φ1-φ0)=75°，最佳入射角为φ2-φ0=52°；

当φ1=25°和35°时，则对应的θ2=π/2-(φ1-φ0)=65°和55°。

本发明的实施例利用光学旋转调整架5控制浮雕结构4转动，但不限于这一种转动方式。

本发明的实施例利用+1级衍射光束为观察光束，但不限于这一个衍射级次。

本发明的实施例阐述的是光束从介质膜光栅法线左侧入射，测定介质膜光栅梯形浮雕结构的右底角θ2。对于测量介质膜光栅梯形浮雕结构的左底角θ1仍可以对称适用。

本发明方案实现起来简单，且不依赖于大型、复杂、昂贵的检测设备。

本发明涉及的叠阵光源不限于某种特定的激光光源，可以是半导体激光叠阵、光纤激光阵列等。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。