專利名稱：一種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量光柵衍射效率曲線的方法及系統(tǒng)，尤其涉及ー種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光柵是ー種重要的分光光學(xué)元件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。利用光柵的分光性質(zhì)可以做成各種不同的器件，如光柵尺，光柵光譜儀等。在利用光柵進(jìn)行實(shí)際器件設(shè)計(jì)時(shí)，首先要準(zhǔn)確知道光柵周期，光柵折射率調(diào)制度及有效厚度等光柵特有參數(shù)。這些參數(shù)的確定可以通過研究光柵衍射效率曲線得到。在進(jìn)行光柵衍射效率測量過程中，光柵的衍射角會隨著入射光波的入射角變化而改變。當(dāng)光柵周期較大時(shí)，在衍射方向出現(xiàn)了多級衍射，針對某ー級次的衍射角隨入射角變化不是很明顯。針對這樣的光柵可以將探測器固定在ー個(gè)位置，就可以完成衍射效率的測量。但是對于光柵周期很小的光柵，特別對于體光柵來說，當(dāng)波長不變時(shí)，衍射角會隨入射角的改變而發(fā)生很大的改變，所以，采用固定探測器方法，不能完成對光柵衍射效率的測量。這就要求接受衍射能量的探頭能在大角度范圍內(nèi)改變。目前光柵衍射效率的測量，基本上是用電動步機(jī)控制轉(zhuǎn)臺來改變?nèi)肷浣?，手動改變探測器的位置進(jìn)行測量。這種方法會因探測器的角度改變而人為引入測量誤差。同時(shí)當(dāng)光波近似垂直入射到光柵表面吋，其衍射光波在入射光波附近。在探測衍射光能量吋，探測器將出現(xiàn)擋光現(xiàn)象而使衍射效率的測量出現(xiàn)測量盲區(qū)。近來雖然有提出一種實(shí)現(xiàn)對光柵衍射效率進(jìn)行自動掃描測量裝置(專利號CN 10巧45擬6)，可以直接探測接近全角度范圍內(nèi)的衍射光束，有效的解決了上述衍射效率測量過程中存在的問題。但是該方法在接受衍射能量的過程中，需要對探測器在大范圍內(nèi)隨著入射角改變而旋轉(zhuǎn)，這使得測量系統(tǒng)需要很大的空間，不利于將該系統(tǒng)組裝成儀器，進(jìn)行工程測量。同時(shí)對于不同入射角需采用兩個(gè)固定在電動轉(zhuǎn)臺上的探測器進(jìn)行探測，不同探測器記錄衍射能量給衍射效率曲線引入誤差，也大大的増加了測量系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)成本的要求。另外在兩個(gè)探測器轉(zhuǎn)換的過程中有可能存在測量盲區(qū)及判斷誤差。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出ー種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的思想在于光的傳播服從費(fèi)馬原理，即在光所經(jīng)歷的所有可能的傳播路徑中，實(shí)際路徑所對應(yīng)的光程取極值。根據(jù)橢圓的幾何性質(zhì)，橢圓上任何一點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的連線的夾角平分線就是過該點(diǎn)的法線，因此對于橢球面反射鏡而言，位于橢球面反射鏡ー 個(gè)焦點(diǎn)上的光源，經(jīng)橢球面反射鏡的反射，必定經(jīng)過橢球面反射鏡的另ー個(gè)焦點(diǎn)。如圖1所示，由焦點(diǎn)1發(fā)出的光經(jīng)橢球面反射鏡反射，均能在焦點(diǎn)2上接收。
技術(shù)方案ー種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法，其特征在于步驟如下步驟1 將激光器發(fā)出的光按能量1 1的比例分為第一光束和第二光束；步驟2 將其中第一光束進(jìn)行準(zhǔn)直為直徑小于Imm的平行光束，并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點(diǎn)位于橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過橢球面反射鏡反射到達(dá)橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處，測量橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值；步驟3 用測量得到的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強(qiáng)的兩倍，得到被測光柵的衍射效率。ー種利用橢球面反射鏡測量得到光柵衍射效率得到角度選擇性曲線的方法，其特征在于從0°到-80°或者0°到80°之間改變照射到被測光柵上第一光束的入射角，循環(huán)下述步驟步驟(1)將激光器發(fā)出的光按能量1 1的比例分為第一光束和第二光束；步驟じ)將其中第一光束進(jìn)行準(zhǔn)直為直徑小于Imm的平行光束，并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點(diǎn)位于橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過橢球面反射鏡反射到達(dá)橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處，測量橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值；步驟(3)用測量得到的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強(qiáng)的兩倍，得到被測光柵的衍射效率；得到0°到-80°或者0°到80°之間的衍射效率系列值，以入射角為橫軸，衍射效率為縱軸，得到被測光柵衍射效率的角度選擇性曲線；所述入射角改變量的步進(jìn)值小于2°。ー種實(shí)現(xiàn)所述利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法的系統(tǒng)，其特征在于包括激光器1、光束分束器2、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡9，橢球面反射鏡6、第二光功率探測器7和第一光功率探測器8 ；在激光器1的激光光路上設(shè)置光束分束器2，光束分束器2將激光器1發(fā)出的光束分為光強(qiáng)比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設(shè)置第二光功率探測器7測得第二光束的光強(qiáng)；在第一光束的光路中設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡9，將其準(zhǔn)直為直徑小于 Imm的平行光束，被測光柵設(shè)置在準(zhǔn)直光束的光路上，橢球面反射鏡6設(shè)置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準(zhǔn)直平行光束在被測光柵上的入射點(diǎn)為橢球面反射鏡的ー個(gè)焦點(diǎn)，在橢球面反射鏡的另ー個(gè)焦點(diǎn)處設(shè)置第一光功率探測器8，測得橢球面反射鏡上第二光束的反射光強(qiáng)度；用第一光功率探測器8測量得到的光強(qiáng)數(shù)值除以第二光功率探測器7測量得到的光強(qiáng)的兩倍，得到被測光柵的衍射效率。ー種實(shí)現(xiàn)所述利用橢球面反射鏡測量的光柵衍射效率得到角度選擇性曲線的系統(tǒng)，其特征在于包括激光器1、光束分束器2、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡9，橢球面反射鏡6、第二光功率探測器7和第一光功率探測器8 ；在激光器1的激光光路上設(shè)置光束分束器2，光束分束器2 將激光器1發(fā)出的光束分為光強(qiáng)比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設(shè)置第二光功率探測器7測得第二光束的光強(qiáng)；在第一光束的光路中設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡9，將其準(zhǔn)直為直徑小于Imm的平行光束，被測光柵設(shè)置在準(zhǔn)直光束的光路上，橢球面反射鏡6設(shè)置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準(zhǔn)直平行光束在被測光柵上的入射點(diǎn)為橢球面反射鏡的ー個(gè)焦點(diǎn)，在橢球面反射鏡的另ー個(gè)焦點(diǎn)處設(shè)置第一光功率探測器8，測得橢球面反射鏡上第二光束的反射光強(qiáng)度；將被測光柵置于旋轉(zhuǎn)臺3上，第一光功率探測器置于橢球面反射鏡的另一焦點(diǎn)上，調(diào)整擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡后的平行光束照射到被測光柵上，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺3使得被測光柵上平行光束的入射角在0°到-80°或者0°到80°之間改變，改變量步進(jìn)值小于2°，使用第一光功率探測器8在入射角從0°到-80°或者0°到80°之間改變時(shí)測得拋物面反射鏡上第二光束的反射光強(qiáng)度；在每次變化中用第一光功率探測器8測量得到的光強(qiáng)數(shù)值除以第二光功率探測器7測量得到的光強(qiáng)的兩倍，得到變化的被測光柵的系列衍射效率。 所述被測光柵為反射式光柵或透射式光柵。有益效果本發(fā)明提出的ー種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)，將橢球面反射鏡引入到測量系統(tǒng)。橢球面反射鏡的特點(diǎn)是將從ー個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的所有光都引導(dǎo)到第 ニ焦點(diǎn)上。照明光波與光柵的交點(diǎn)在橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)，探測器的探頭固定在橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)。這樣照明光波以任意角度入射到光柵上的光都可以被探測器探頭接收。該系統(tǒng)可以在大角度范圍內(nèi)自動實(shí)時(shí)的接受衍射光能量?？梢詫ρ苌涔饽芰窟M(jìn)行全程自動探測，節(jié)省了系統(tǒng)空間。有效縮小該測量系統(tǒng)的體積和減輕其重量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了衍射效率的實(shí)時(shí)定點(diǎn)測量。此外，只需整體調(diào)整橢球面反射鏡、光柵入射點(diǎn)及探測器探頭位置，即可適用于不同探測角度范圍需求，具有很高的通用性。


圖1 是從橢球面反射鏡ー個(gè)焦點(diǎn)上發(fā)出的不同方向的光匯聚到另ー焦點(diǎn)上的示意圖；圖2 是本發(fā)明測量反射式光柵衍射效率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 是本發(fā)明測量透射式光柵衍射效率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 是本發(fā)明實(shí)施例得到的被測光柵衍射效率的角度選擇性曲線圖中1-激光器，2-光束分束器，3-旋轉(zhuǎn)臺，4-三維調(diào)節(jié)架，5-反射式光柵，6_橢球面反射鏡，7-第二光功率探測器，8-第一光功率探測器，9-擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡，10-透射式光柵。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)ー步描述實(shí)施例一本發(fā)明設(shè)計(jì)的ー種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括激光器1，光束分束器2，旋轉(zhuǎn)臺3，三維調(diào)節(jié)架4，反射式光柵5，橢球面反射鏡6，第二光功率探測器7，第一光功率探測器8，擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡9。所述的ー種實(shí)現(xiàn)所述利用橢球面反射鏡測量反射式光柵衍射效率的系統(tǒng)的工作流程如下光纖耦合輸出He-Ne激光器1發(fā)出的波長為632nm的激光束經(jīng)分光比為1 1 的光纖分束器2分為第一光束和第二光束；第二光束的光強(qiáng)P1被第二光功率探測器探測測量；將反射式光柵5固定在三維調(diào)節(jié)架4上，并整體固定于旋轉(zhuǎn)臺3上；第一光束被擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡10擴(kuò)束準(zhǔn)直成直徑不大于Imm的平行光束并入射到反射式光柵5上；調(diào)整三維調(diào)節(jié)架 4和旋轉(zhuǎn)臺3，其中準(zhǔn)直平行光束在被測反射式光柵上的入射點(diǎn)為橢球面反射鏡6的ー個(gè)焦點(diǎn)，在橢球面反射鏡6的另ー個(gè)焦點(diǎn)處設(shè)置第一光功率探測器8，并測量得到其強(qiáng)度值P2 ； 用測量得到的會聚點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值P2除以第二光束光-P1的兩倍，得到被測光柵的衍射效率；以0.00125°的精度改變從40°到55°改變平行光束并入射到反射式光柵5上的入射角，得到衍射效率系列值；以入射角為橫軸，衍射效率為縱軸，得到如圖4所示的被測光柵衍射效率的角度選擇性曲線。 實(shí)施例ニ 本發(fā)明設(shè)計(jì)的ー種利用橢球面透射鏡測量透射式光柵衍射效率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，包括激光器1，光束分束器2，旋轉(zhuǎn)臺3，三維調(diào)節(jié)架4，橢球面反射鏡6，第二光功率探測器7，第一光功率探測器8，擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡9，透射式光柵10。所述的ー 種實(shí)現(xiàn)所述利用橢球面透射鏡測量透射式光柵衍射效率的系統(tǒng)的工作流程如下光纖耦合輸出He-Ne激光器1發(fā)出的波長為632nm的激光束經(jīng)分光比為1 1的光纖分束器2分為第一光束和第二光束；第二光束的光強(qiáng)P1被第二光功率探測器探測測量；將透射式體光柵 10固定在三維調(diào)節(jié)架4上，并整體固定于旋轉(zhuǎn)臺3上，；第一光束被擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡9擴(kuò)束準(zhǔn)直成直徑不大于Imm的平行光束并入射到透射式光柵10上；調(diào)整三維調(diào)節(jié)架4和旋轉(zhuǎn)臺3， 并設(shè)置橢球面反射鏡6的ー個(gè)焦點(diǎn)位置與光束入射點(diǎn)重合，其中準(zhǔn)直平行光束在被透射式測光柵上的入射點(diǎn)為橢球面反射鏡的ー個(gè)焦點(diǎn)，在橢球面反射鏡的另ー個(gè)焦點(diǎn)處設(shè)置第一光功率探測器8，并測量得到其強(qiáng)度值P2 ；用測量得到的會聚點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值P2除以第二光束光-P1的兩倍，得到被測透射式光柵的衍射效率；以0.00125°的精度改變從40°到改變平行光束并入射到透射式光柵10上的入射角，得到衍射效率系列值；以入射角為橫軸，衍射效率為縱軸，得到如圖4所示的被測光柵衍射效率的角度選擇性曲線。
權(quán)利要求
1.ー種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法，其特征在于步驟如下步驟1:將激光器發(fā)出的光按能量1 1的比例分為第一光束和第二光束；步驟2 將其中第一光束進(jìn)行準(zhǔn)直為直徑小于Imm的平行光束，并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點(diǎn)位于橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過橢球面反射鏡反射到達(dá)橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處，測量橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值；步驟3 用測量得到的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強(qiáng)的兩倍，得到被測光柵的衍射效率。
2.ー種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率得到角度選擇性曲線的方法，其特征在于從0°到-80°或者0°到80°之間改變照射到被測光柵上第一光束的入射角，循環(huán)下述步驟步驟(1)將激光器發(fā)出的光按能量1 1的比例分為第一光束和第二光束；步驟O)將其中第一光束進(jìn)行準(zhǔn)直為直徑小于Imm的平行光束，并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點(diǎn)位于橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過橢球面反射鏡反射到達(dá)橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處，測量橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值；步驟(3)用測量得到的第二焦點(diǎn)處的光強(qiáng)數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強(qiáng)的兩倍，得到被測光柵的衍射效率；得到0°到-80°或者0°到80°之間的衍射效率系列值，以入射角為橫軸，衍射效率為縱軸，得到被測光柵衍射效率的角度選擇性曲線；所述入射角改變量的步進(jìn)值小于2°。
3.ー種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法的系統(tǒng)，其特征在于包括激光器(1)、光束分束器( 、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡(9)，橢球面反射鏡(6)、第二光功率探測器(7)和第一光功率探測器(8)；在激光器(1)的激光光路上設(shè)置光束分束器0)，光束分束器( 將激光器(1)發(fā)出的光束分為光強(qiáng)比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設(shè)置第二光功率探測器(7)測得第二光束的光強(qiáng)；在第一光束的光路中設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡(9)，將其準(zhǔn)直為直徑小于Imm的平行光束，被測光柵設(shè)置在準(zhǔn)直光束的光路上， 橢球面反射鏡(6)設(shè)置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準(zhǔn)直平行光束在被測光柵上的入射點(diǎn)為橢球面反射鏡的ー個(gè)焦點(diǎn)，在橢球面反射鏡的另ー個(gè)焦點(diǎn)處設(shè)置第一光功率探測器(8)，測得橢球面反射鏡上第二光束的反射光強(qiáng)度；用第一光功率探測器(8)測量得到的光強(qiáng)數(shù)值除以第二光功率探測器(7)測量得到的光強(qiáng)的兩倍，得到被測光柵的衍射效率。
4.ー種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求2所述利用橢球面反射鏡測量的光柵衍射效率得到角度選擇性曲線的系統(tǒng)，其特征在于包括激光器(1)、光束分束器O)、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡(9)，橢球面反射鏡 (6)、第二光功率探測器(7)和第一光功率探測器(8)；在激光器(1)的激光光路上設(shè)置光束分束器O)，光束分束器( 將激光器(1)發(fā)出的光束分為光強(qiáng)比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設(shè)置第二光功率探測器(7)測得第二光束的光強(qiáng)；在第一光束的光路中設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡(9)，將其準(zhǔn)直為直徑小于Imm的平行光束，被測光柵設(shè)置在準(zhǔn)直光束的光路上，橢球面反射鏡(6)設(shè)置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準(zhǔn)直平行光束在被測光柵上的入射點(diǎn)為橢球面反射鏡的ー個(gè)焦點(diǎn)，在橢球面反射鏡的另ー個(gè)焦點(diǎn)處設(shè)置第一光功率探測器(8)，測得橢球面反射鏡上第二光束的反射光強(qiáng)度；將被測光柵置于旋轉(zhuǎn)臺(3)上，第一光功率探測器置于橢球面反射鏡的另一焦點(diǎn)上，調(diào)整擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡后的平行光束照射到被測光柵上，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺( 使得被測光柵上平行光束的入射角在0° 到-80°或者0°到80°之間改變，改變量步進(jìn)值小于2°，使用第一光功率探測器(8)在入射角從0°到-80°或者0°到80°之間改變時(shí)測得拋物面反射鏡上第二光束的反射光強(qiáng)度；在每次變化中用第一光功率探測器(8)測量得到的光強(qiáng)數(shù)值除以第二光功率探測器 (7)測量得到的光強(qiáng)的兩倍，得到變化的被測光柵的系列衍射效率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述被測光柵為反射式光柵或透射式光柵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用橢球面反射鏡測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)，將橢球面反射鏡引入到測量系統(tǒng)。橢球面反射鏡的特點(diǎn)是將從一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的所有光都引導(dǎo)到第二焦點(diǎn)上。照明光波與光柵的交點(diǎn)在橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)，探測器的探頭固定在橢球面反射鏡的第二焦點(diǎn)。這樣照明光波以任意角度入射到光柵上的光都可以被探測器探頭接收。該系統(tǒng)可以在大角度范圍內(nèi)自動實(shí)時(shí)的接受衍射光能量?？梢詫ρ苌涔饽芰窟M(jìn)行全程自動探測，節(jié)省了系統(tǒng)空間。有效縮小該測量系統(tǒng)的體積和減輕其重量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了衍射效率的實(shí)時(shí)定點(diǎn)測量。此外，只需整體調(diào)整橢球面反射鏡、光柵入射點(diǎn)及探測器探頭位置，即可適用于不同探測角度范圍需求，具有很高的通用性。
文檔編號G01M11/02GK102564741SQ20121000793
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者吳冰靜, 姜宏振, 張顏艷, 王駿, 趙建林, 邸江磊, 陳鑫 申請人:西北工業(yè)大學(xué)