專利名稱：一種利用拋物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)，尤其涉及一種利用拋物面反射鏡性質(zhì)，測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光柵是一種重要的分光光學元件，廣泛應用于現(xiàn)代光學的各個領(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。在利用光柵進行實際器件設計時，首先要準確知道光柵周期，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。當光柵周期較大時，在衍射方向出現(xiàn)了多級衍射，針對某一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一個位置，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，當波長不變時，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控制轉(zhuǎn)臺來改變?nèi)肷浣牵謩痈淖兲綔y器的位置進行測量。這種方法會因探測器的角度改變而人為引入測量誤差。同時當光波近似垂直入射到光柵表面時，其衍射光波在入射光波附近。在探測衍射光能量時，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現(xiàn)對光柵衍射效率進行自動掃描測量裝置(專利號 CN101545826)，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，進行工程測量。同時對于不同入射角需采用兩個固定在電動轉(zhuǎn)臺上的探測器進行探測，不同探測器記錄衍射能量給衍射效率曲線引入誤差，也大大的增加了測量系統(tǒng)對實驗成本的要求。另外在兩個探測器轉(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)明提出一種利用拋物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馬原理，即在光所經(jīng)歷的所有可能的傳播路徑中，實際路徑所對應的光程取極值。根據(jù)拋物面的幾何性質(zhì)，拋物面上任意一點與焦點的連線經(jīng)拋物面反射后都平行于拋物面對稱軸，因此對于拋物面反射鏡而言，由焦點出發(fā)的一束光線經(jīng)拋物面反射鏡反射后，反射光線必定平行于拋物面反射鏡的光軸。如圖1所示， 由焦點發(fā)出的光經(jīng)拋物面反射鏡反射，反射光均平行于拋物面鏡的光軸方向。
技術(shù)方案一種利用拋物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 將其中第一光束進行準直為直徑小于Imm的平行光束并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點位于拋物面反射鏡的焦點處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過拋物面反射鏡反射形成平行于光軸方向的光束，再經(jīng)過凸透鏡會聚于一點，測量該點的光強數(shù)值；步驟3 用測量得到的會聚點處的光強數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強的兩倍，得到被測光柵的衍射效率。一種利用拋物面反射鏡得到體光柵衍射效率角度選擇性曲線的方法，其特征在于從0°到-90°或者從0°到90°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)將其中第一光束進行準直為直徑小于Imm的平行光束并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點位于拋物面反射鏡的焦點處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過拋物面反射鏡反射形成平行于光軸方向的光束，再經(jīng)過凸透鏡會聚于一點，測量該點的光強數(shù)值；步驟(3)用測量得到的會聚點處的光強數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強的兩倍，得到該入射角時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；所述入射角的改變量步進值小于2°。一種實現(xiàn)所述利用拋物面反射鏡測量光柵衍射效率方法的系統(tǒng)，其特征在于包括激光器1、光束分束器2、擴束準直鏡10，橢球反射鏡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)出的光束分為光強比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設置第二光功率探測器 7測得第二光束的光強；在第一光束的光路中設置擴束準直鏡10，將其準直為直徑小于Imm 的平行光束，被測光柵5設置在準直光束的光路上，拋物面反射鏡6設置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準直平行光束在被測光柵上的入射點為拋物面反射鏡的焦點，在拋物面反射鏡的反射光路上，與光軸垂直方向設置一凸透鏡9，在凸透鏡9后焦平面焦點位置設置第一光功率探測器8，測量拋物面反射鏡的反射光強度；用第一光功率探測器8測量得到的光強數(shù)值除以第二光功率探測器7測量得到的光強的兩倍，得到被測光柵的衍射效率。一種實現(xiàn)所述利用拋物面反射鏡測量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、擴束準直鏡10，橢球反射鏡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)出的光束分為光強比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設置第二光功率探測器7測得第二光束的光強；在第一光束的光路中設置擴束準直鏡10，將其準直為直徑小于Imm的平行光束，被測光柵5設置在準直光束的光路上，拋物面反射鏡6設置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準直平行光束在被測光柵上的入射點為拋物面反射鏡的焦點，在拋物面反射鏡的反射光路上，與光軸垂直方向設置一凸透鏡9，在凸透鏡9后焦平面焦點位置設置第一光功率探測器8，測量拋物面反射鏡的反射光強度；將被測光柵置于旋轉(zhuǎn)臺3上，第一光功率探測器8置于凸透鏡9后焦平面焦點位置，調(diào)整擴束準直鏡10 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從0° 到-80°或者0°到80°之間改變，改變量步進值小于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°之間改變時測得拋物面反射鏡上第二光束的反射光強度；在每次變化中用第一光功率探測器8測量得到的光強數(shù)值除以第二光功率探測器7測量得到的光強的兩倍，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)明提出的一種利用拋物面反射鏡測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)，將拋物面反射鏡引入到測量系統(tǒng)。拋物面反射鏡的特點是將從焦點發(fā)出的所有光經(jīng)拋物面反射鏡反射，反射光束都沿平行于光軸方向，經(jīng)垂直于反射鏡光軸的凸透鏡匯聚于凸透鏡后焦平面焦點位置，探測器的探頭固定在凸透鏡后焦平面焦點位置。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)實時的接受衍射光能量。可以對衍射光能量進行全程探測，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，同時實現(xiàn)了衍射效率的實時定點測量。此外，只需整體調(diào)整拋物面反射鏡、光柵入射點及探測器探頭位置，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 是從拋物面反射鏡一個焦點上發(fā)出的不同方向的光經(jīng)拋物面反射鏡反射， 反射光沿平行于拋物反射鏡光軸方向的示意圖；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)明測量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-凸透鏡，10-擴束準直鏡， 11-透射式光柵。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述實施例一本發(fā)明設計的一種利用拋物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，拋物面反射鏡6，第二光功率探測器7，第一光功率探測器8，凸透鏡9，擴束準直鏡10。所述的一種實現(xiàn)所述利用拋物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，；第一光束被擴束準直鏡10擴束準直成直徑不大于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，并設置拋物面反射鏡6的焦點位置與光束入射點重合，使反射式光柵5的衍射光束被拋物面反射鏡6反射后形成平行于入射光束的反射光；反射光經(jīng)過凸透鏡9后照射到位于其后焦平面會聚點位置的第一光功率探測器8上，并測量得到其強度值P2 ；用測量得到的會聚點處的光強數(shù)值P2除以第二光束光強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。實施例二 本發(fā)明設計的一種利用拋物面反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，透射式光柵 11，拋物面反射鏡6，第二光功率探測器7，第一光功率探測器8，凸透鏡9，擴束準直鏡10。所述的一種實現(xiàn)所述利用拋物面反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P1被第二光功率探測器探測測量；將透射式光柵11固定在三維調(diào)節(jié)架4上，并整體固定于旋轉(zhuǎn)臺3上，；第一光束被擴束準直鏡10擴束準直成直徑不大于Imm的平行光束并入射到透射式光柵11上；調(diào)整三維調(diào)節(jié)架4和旋轉(zhuǎn)臺3，并設置拋物面反射鏡6的焦點位置與光束入射點重合，使透射式光柵11 的衍射光束被拋物面反射鏡6反射后形成平行于入射光束的反射光；反射光經(jīng)過凸透鏡9 后照射到位于其后焦平面會聚點位置的第一光功率探測器8上，并測量得到其強度值P2 ； 用測量得到的會聚點處的光強數(shù)值P2除以第二光束光強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55°改變平行光束并入射到透射式光柵11 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所示的被測透射式光柵衍射效率的角度選擇性曲線。
權(quán)利要求
1.一種利用拋物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 將其中第一光束進行準直為直徑小于Imm的平行光束并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點位于拋物面反射鏡的焦點處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過拋物面反射鏡反射形成平行于光軸方向的光束，再經(jīng)過凸透鏡會聚于一點，測量該點的光強數(shù)值；步驟3 用測量得到的會聚點處的光強數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強的兩倍， 得到被測光柵的衍射效率。
2.一種利用拋物面反射鏡得到體光柵衍射效率角度選擇性曲線的方法，其特征在于 從0。到-90°或者從0°到90°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)將其中第一光束進行準直為直徑小于Imm的平行光束并以入射角照射到被測光柵上，調(diào)整入射角的入射點位于拋物面反射鏡的焦點處；光束經(jīng)被測光柵衍射后再經(jīng)過拋物面反射鏡反射形成平行于光軸方向的光束，再經(jīng)過凸透鏡會聚于一點，測量該點的光強數(shù)值；步驟(3)用測量得到的會聚點處的光強數(shù)值除以步驟1分束后的第二光束光強的兩倍，得到該入射角時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；所述入射角的改變量步進值小于2°。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述利用拋物面反射鏡測量光柵衍射效率方法的系統(tǒng)，其特征在于包括激光器(1)、光束分束器O)、擴束準直鏡(10)，橢球反射鏡(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)出的光束分為光強比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設置第二光功率探測器(7)測得第二光束的光強；在第一光束的光路中設置擴束準直鏡(10)，將其準直為直徑小于Imm的平行光束，被測光柵( 設置在準直光束的光路上，拋物面反射鏡(6)設置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準直平行光束在被測光柵上的入射點為拋物面反射鏡的焦點，在拋物面反射鏡的反射光路上，與光軸垂直方向設置一凸透鏡(9)，在凸透鏡(9)后焦平面焦點位置設置第一光功率探測器(8)，測量拋物面反射鏡的反射光強度；用第一光功率探測器(8)測量得到的光強數(shù)值除以第二光功率探測器 (7)測量得到的光強的兩倍，得到被測光柵的衍射效率。
4.一種實現(xiàn)權(quán)利要求2所述利用拋物球面反射鏡測量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)、擴束準直鏡(10)，橢球反射鏡 (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)出的光束分為光強比為1 1的第一光束和第二光束；在第二光束的光路中設置第二光功率探測器(7)測得第二光束的光強；在第一光束的光路中設置擴束準直鏡(10)，將其準直為直徑小于Imm的平行光束，被測光柵(5)設置在準直光束的光路上，拋物面反射鏡(6)設置在被測光柵衍射光束的光路上；其中準直平行光束在被測光柵上的入射點為拋物面反射鏡的焦點，在拋物面反射鏡的反射光路上，與光軸垂直方向設置一凸透鏡(9)，在凸透鏡(9)后焦平面焦點位置設置第一光功率探測器(8)，測量拋物面反射鏡的反射光強度；將被測光柵置于旋轉(zhuǎn)臺(3)上，第一光功率探測器(8)置于凸透鏡(9)后焦平面焦點位置，調(diào)整擴束準直鏡(10)后的平行光束照射到被測光柵上，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺C3)使得被測光柵上平行光束的入射角從0°到-80°或者0°到80° 之間改變，改變量步進值小于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°之間改變時測得拋物面反射鏡上第二光束的反射光強度；在每次變化中用第一光功率探測器(8)測量得到的光強數(shù)值除以第二光功率探測器(7)測量得到的光強的兩倍，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(5)或透射式光柵(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用拋物面反射鏡測量光柵衍射效率的方法及系統(tǒng)，將拋物面反射鏡引入到測量系統(tǒng)。拋物面反射鏡的特點是將從焦點發(fā)出的所有光經(jīng)拋物面反射鏡反射，反射光束都沿平行于光軸方向，經(jīng)垂直于反射鏡光軸的凸透鏡匯聚于凸透鏡后焦平面焦點位置，探測器的探頭固定在凸透鏡后焦平面焦點位置。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。本發(fā)明在大角度范圍內(nèi)實時的接受衍射光能量，對衍射光能量進行全程探測，節(jié)省了系統(tǒng)空間，縮小體積和減輕其重量，同時實現(xiàn)了衍射效率的實時定點測量。此外，只需整體調(diào)整拋物面反射鏡、光柵入射點及探測器探頭位置，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G01M11/02GK102539122SQ201210007710
公開日2012年7月4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