一種基于體積相位全息光柵的新型單色儀的實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)工程領(lǐng)域，特別是一種基于體積相位全息光柵的新型單色儀的實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單色儀是一種常用的分光儀器，適用于單色光的產(chǎn)生，用于光譜分析相關(guān)的應(yīng)用。單色儀能輸出一系列獨(dú)立的，光譜區(qū)間足夠窄的單色光，且所輸出單色光的波長可以根據(jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié)。通常分為棱鏡單色儀和光柵單色儀。棱鏡單色儀的工作光譜受到材料的限制，并且色散分辨率越高要求棱鏡尺寸越大，而同分辨率的光柵單色儀光柵重量輕，制造相對容易。光柵的角色散率與波長無關(guān)，而棱鏡單色儀的角色散率與波長有關(guān)。這些因素導(dǎo)致光柵單色儀更加受到用戶的青睞。
[0003]最常見的光柵單色儀是Czerny-Turner(切爾尼-特納，CT型單色儀，如說明書附圖1XCT單色儀由兩個(gè)狹縫(A、E)、兩片凹面鏡(B、D)和一片平面衍射光柵(C)組成。當(dāng)一束復(fù)合光緒進(jìn)入單色儀的入射狹縫(A)，首先由凹面經(jīng)(B)匯聚成平行光，在通過衍射光柵(C)色散為分開的波長。利用每個(gè)波長離開光柵角度的不同，由另外一個(gè)凹面鏡(D)再將選擇的波長成像到出射狹縫(E)，通過電腦控制光柵掃描可以精確的改變出射波長。通常CT單色儀配備三塊不同刻線密度的光柵覆蓋足夠的波長范圍和獲得足夠的分辨率。
[0004]CT單色儀中的光柵一般使用傳統(tǒng)的平面閃耀反射光柵，通常是通過在金屬平板表面刻制鋸齒槽形的周期結(jié)構(gòu)制作而成。當(dāng)光柵刻制成鋸齒形的線槽斷面時(shí)，光柵的光能量便集中在預(yù)訂的方向上，即某一光譜級上。從這個(gè)方向探測時(shí)，光譜的強(qiáng)度最大，這種現(xiàn)象稱為閃耀(Blaze)，所以這種光柵稱為閃耀光柵。這樣刻制成的閃耀光柵中，其衍射作用的槽面是一個(gè)光滑的屏面，它與光柵的表面的夾角，稱為閃耀角(Blaze Angle)。最大光強(qiáng)度所對應(yīng)的波長，稱為閃耀波長(Blaze Wave 1 ength)。
[0005]體積相位全息透射光棚'(VolumePhase Holographic Transmiss1n Grating)是一種新型光柵，因其具有較高的衍射效率，近些年來得到了廣泛的應(yīng)用。其制作工藝相對簡單，廣泛采用的方法是在光學(xué)玻璃下涂膠狀感光聚合物材料，然后采用兩束相干的平面波或者球面波以一定的角度照射在記錄材料上，記錄材料記錄下干涉條紋，經(jīng)顯影處理后在光柵的記錄材料上形成與干涉條紋明暗強(qiáng)弱對應(yīng)的周期性的折射率分布，經(jīng)過封裝就得到了體積相位全息透射光柵。以上兩種光柵的不同之處如說明書附圖2所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于體積相位全息光柵的新型單色儀的實(shí)現(xiàn)方法，具有更高的衍射效率，顯著降低的對S和P偏振的衍射效率差異，更低的雜散光。
[0007]本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn):一種基于體積相位全息光柵的新型單色儀的實(shí)現(xiàn)方法，具體包括以下步驟:
步驟S1:提供寬帶光源、入射狹縫、第一平面鏡、第二平面鏡、第三平面鏡、第四平面鏡、第一凹面鏡、第二凹面鏡、體積相位全息透射光柵以及出射狹縫；
步驟S2:將所述寬帶光源發(fā)出的入射光聚焦后通過所述入射狹縫，所述入射光經(jīng)過所述第一平面鏡反射改變方向后入射到所述第一凹面鏡，所述入射光經(jīng)過所述凹面鏡后轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄猓?br> 步驟S3:步驟S2中的所述平行光經(jīng)過所述第二平面鏡反射后入射到所述體積相位全息透射光柵上，不同波長的平行光透過所述體積相位全息透射光柵后被衍射到不同的方向得到多個(gè)方向的衍射光，選擇與所述入射光相對于體積相位全息透射光柵呈鏡面對稱的方向的衍射光，也就是入射角等于衍射角(如圖3所示)；
步驟S4:步驟S3選擇的衍射光經(jīng)第三平面鏡反射后，入射在第二凹面鏡上并反射至所述第四平面鏡上，所述第四平面鏡將該衍射光反射后聚焦在所述出射狹縫上。未被選擇的波段落在狹縫兩側(cè)。
[0008]最終的單色光經(jīng)過出射狹縫后被收集以供用戶使用。
[0009]進(jìn)一步地，所述第一凹面鏡的焦距等于從所述入射狹縫到所述第一平面鏡的中心再到所述第一凹面鏡的鏡面中心之和。
[0010]進(jìn)一步地，所述第二平面鏡和第三平面鏡各自固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺上，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺由一連桿相連，所述連桿固定在一個(gè)線性移動平臺上，固定端在第一線性移動平臺上移動過程中帶動所述第二平面鏡、第三平面鏡旋轉(zhuǎn)，并旋轉(zhuǎn)同樣角度，用以使得衍射時(shí)入射角等于衍射角。
[0011 ]進(jìn)一步地，所述體積相位全息透射光柵包括三塊體積相位全息透射光柵，線密度分別為300、600、1200線/毫米，分別用于1600-2400納米、800-1600納米和400-800納米波段的光學(xué)衍射;三塊體積相位全息透射光柵均被固定在第二線性移動平臺上，根據(jù)要輸出的波長，控制移動特定的光柵進(jìn)入單色儀光路中。
[0012]進(jìn)一步地，包括一計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)與所述第一線性移動平臺、所述第二線性移動平臺電性相連，用以控制所述第一線性移動平臺、第二線性移動平臺。
[0013]較佳地，體積相位全息透射光柵兩側(cè)的光學(xué)元件，相對于光柵并未呈鏡面對稱的方式放置。如圖3的放置方式，使得第一凹面鏡和第二凹面鏡產(chǎn)生的球形散光(SphericalAstigmatism)和慧差(Coma)有效相互抵消，從而在出射狹縫出獲得更小的光斑，提高分辨率。
[0014]特別的，單色儀控制系統(tǒng)包括兩個(gè)線性平臺的控制器、一臺電腦和它們之間的連接線。相關(guān)機(jī)械部件包括兩個(gè)狹縫，兩個(gè)線性移動平臺，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺，連桿機(jī)構(gòu)，和單色儀底座及外殼。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果:
1、更高的衍射效率。體積相位全息透射光柵具有更高的衍射效率，在設(shè)計(jì)的閃耀波長(Blaze Wavelength)處，效率可以達(dá)到90%以上。同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)波長，改變?nèi)肷浣牵冀K滿足布拉格條件(Bragg Condit1n，也就是sina= sinb，a為入射角，b為衍射角。)，所以單色儀系統(tǒng)不僅在閃耀波長有很高的衍射效率，在其他波段，衍射效率也顯著提高。作為對比，CT單色儀的中的入射角是固定的，只在閃耀波長具有較高的衍射效率。
[0016]2、顯著降低的對S和P偏振的衍射效率差異。平面閃耀反射光柵對S偏振和P偏振的入射光，衍射效率有極大的差異，導(dǎo)致自然光進(jìn)入單色儀后變成局部偏振光;而體積相位全息透射光柵對S偏振和P偏振的衍射效率差異很小。
[0017]3、更低的雜散光。平面閃耀反射光柵的表面是鋸齒狀的溝槽結(jié)構(gòu)，對入射光有很大的散射和零級反射，導(dǎo)致出射狹縫處收集到較多的雜散光;而體積相位全息透射光柵表面是平滑玻璃保護(hù)層，表面鍍有增透膜，產(chǎn)生較少的零級反射和散射，有效降低雜散光，提高單色儀的單色性。
【附圖說明】
[0018]圖1為傳統(tǒng)的Czerny-Turner單色儀示意