[发明专利]原位时间分辨光栅衍射效率光谱测量装置和方法

说明书

一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置和方法，测量装置包括超连续谱激光器、声光滤波器、光阑、偏振片、分束器、待测光栅、参考光高速探测器、聚焦透镜、积分球、测试光高速探测器和快电子学组件。超连续谱激光器和声光滤波器用于产生单色光束，参考光高速探测器用于测量参考光束的强度，积分球和测试光高速探测器用于测量衍射光束的强度，快电子学组件用于数据采集和数据处理。本发明在测量过程中，仪器的所有机械部件始终保持静止，光栅衍射效率光谱的测量速度因而得到了大大的提高，可实现原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量。

技术领域

本发明涉及平面光栅衍射效率光谱的测量领域，特别是一种原位时间分辨光栅衍射效率光谱的测量装置和方法。

背景技术

衍射光栅作为重要的色散元件，在光谱分析、强激光、集成电路、光通信、光学精密测量等领域有着广泛的应用，而衍射效率光谱是光栅最重要的性能指标之一，光栅衍射效率光谱的准确测量对于评价光栅的性能、改进光栅的加工工艺有着重要的意义。目前国际上普遍采用的光栅衍射效率光谱测量仪器[1,2]的结构如图1所示，主要包括光源1、单色器2、光阑3、起偏器4、分束器5、参考光探测器6、待测光栅固定机架7、旋转转盘8、待测光栅9、探测器连接杆10和测试光探测器11，基于该测量系统，光栅衍射效率光谱测量的主要过程如下：

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打开激光光源，在光路中不放置样品，使测试光束照射在积分球上，然后被测试光探测器所收集；

③把单色器的工作波长设置为λ₁，然后测量参考光探测器和测试光探测器的明场强度值；

④把单色器的工作波长依次设置为λ₂,λ₃……λ_n，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；

⑤在测试光束中安装待测光栅，把单色器的工作波长设置为λ₁，然后用该单色光照射待测光栅，接着旋转转盘通过连杆把测试光探测器旋转到待测光栅在波长λ₁照射下衍射光束的出射方向处，最后测量此时参考光探测器和测试光探测器的信号强度值；

⑥把单色器的工作波长依次设置为λ₂,λ₃……λ_n，分别重复步骤⑤，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；

⑦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，分别计算波长为λ₁,λ₂,λ₃……λ_n时光栅的衍射效率，进而得到待测光栅的衍射效率光谱。

这种装置和方法可以比较准确的完成光栅衍射效率光谱的测量，但是其主要缺点是在测量过程中，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，因而光栅衍射效率光谱的测试速度比较缓慢，如为得到800nm-1100nm波段范围内的光谱曲线，往往需要3-5分钟左右的时间，而在实际的光栅衍射效率光谱的测试过程中，为了观察光栅衍射效率的光谱特性在温度、湿度、激光损伤等环境因素下的动态变化情况，需要光栅衍射效率光谱能够在较短的时间内完成，目前普遍采用的测试装置和方法显然是无法胜任的。

参考文献：

[1]K.He,J.P.Wang,Y.Q.Hou,X.Li,H.Y.Guan,F.Y.Kong,et al.,High-spectral-resolution characterization of broadband high-efficiency reflectiongratings,Applied Optics,vol.52,pp.653-658,2013.