一种大口径光栅衍射效率的测量装置和测量方法 |
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| 申请号 | CN201610427140.6 | 申请日 | 2016-06-16 | 公开(公告)号 | CN106124166A | 公开(公告)日 | 2016-11-16 |
| 申请人 | 中国科学院上海光学精密机械研究所; | 发明人 | 邵建达; 刘世杰; 王圣浩; 王微微; 张志刚; 周游; 徐天柱; 鲁棋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 专利 提出了一种大口径光栅衍射效率的测量装置和测量方法,包括 光源 、单色器、传输光纤、分束镜、二维扫描机构、样品台、参考 光探测器 和测试光探测器，根据测量光强度和参考光光强的比值，以及衍射光强度和参考光强度的比值，计算得到大口径光栅单个 位置 处的衍射效率值，接着利用二维扫描机构在 水 平和垂直方向扫描光纤测量头，依次得到大口径光栅各个位置处的衍射效率值，从而完成大口径光栅衍射效率的测量。本发明实现了大口径光栅衍射效率的测量，降低了测量系统的构建成本，消除了测量过程中的安全隐患，显著加快了大口径光栅衍射效率的测量速度，同时能保证大口径光栅衍射效率的测量数据具有较好的重复性和复现性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大口径光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，包括光源(13)、单色器(14)、光阑(15)、聚焦镜(16)、光纤耦合装置(17)、传输光纤(18)、二维扫描机构(22)、测试光探测器(23)、供待测光栅(26)放置的样品台(25)，以及固定在所述的二维扫描机构(22)上的光纤准直镜(19)、分束镜(20)、参考光探测器(21)和偏振片(24)； |
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| 说明书全文 | 一种大口径光栅衍射效率的测量装置和测量方法技术领域[0001] 本发明涉及光栅衍射效率的测量领域，特别是一种大口径光栅衍射效率的测量装置和测量方法。 背景技术[0002] 大口径光栅(对角线尺寸达到米级)在基于惯性约束核聚变的高功率啁啾脉冲放大系统中、在大口径天文望远镜中、在精密位移测量中、在纳米压印光刻以及其他诸多科学技术领域中起着至关重要的作用，而衍射效率是大口径光栅最重要的性能指标之一，大口径内衍射效率的准确测量对于评价大口径光栅的性能、改进大口径光栅的加工工艺有着重要的意义。 [0003] 目前国际上普遍采用的大口径光栅衍射效率测量装置的光路结构如图1所示[1,2]，主要包括光源1、单色器2，光阑3、分束镜4、偏振片5、参考光探测器6、测试光探测器7、样品二维扫描机构8和待测光栅9，图2所示是样品二维扫描机构8的三维结构示意图，主要由样品放置台10、竖直方面的光学精密位移台11和水平方向的光学精密位移台12组成，基于该测量系统，大口径光栅衍射效率测量的主要步骤如下： [0004] ①使测试光直接被测试光探测器收集，然后同时测量测试光的强度和参考光的强度，计算测试光强和参考光强的比值。 [0005] ②使光栅的衍射光直接被测试光探测器收集，然后同时测量衍射光的强度和参考光的强度，计算衍射光强和参考光强的比值。 [0006] ③根据步骤①获得的测试光强和参考光强的比值，和步骤②得到的衍射光强和参考光强的比值，计算大口径光栅在单个位置处的衍射效率值。 [0007] ④利用样品二维扫描机构，移动大口径光栅样品到下一个测量点的位置，重复步骤②和③，计算大口径光栅在下一个测量位置处的衍射效率值。 [0008] ⑤重复步骤④，使扫描路径覆盖大口径光栅的整个工作区域，从而完成大口径光栅衍射效率的测量。 [0009] 这种测量大口径光栅衍射效率装置和方法的主要缺点是： [0010] (1)测量系统构建成本较高。由于系统的是通过二维扫描大口径光栅来实现衍射效率测量的，而大口径光栅的对角线尺寸往往在米量级左右，重量往往在200公斤以上，为了实现超重负载二维扫描的功能，二维扫描机械机构需要花费较高的成本。 [0011] (2)测量过程安全隐患较大。测量过程中由于需要持续不断的二维扫描大口径光栅样品，而大口径光栅的对角线尺寸往往在米量级左右，重量往往在200公斤以上，因而在二维扫描超重负载的测量过程中，具有较大的安全隐患。 [0012] (3)测量速度较慢，工作效率低。测量过程中由于需要二维扫描大口径光栅样品，而大口径光栅的对角线尺寸往往在米量级左右，重量往往在200公斤以上，因而在二维移动大口径光栅的时候，需要非常缓慢平稳的移动光栅(加速度、最高速度和减速度需要控制的非常小)，这使得大口径光栅衍射效率的测量时间非常漫长，如测量一块尺寸大小为430mm×350mm的光栅的衍射效率，需要长达6个多小时的时间[1]，在长时间的测量过程中，测量环境会发生很多未知的变化，进而会带来不可忽略的测量误差，同时测量时间较长也降低了测量系统的工作效率。 [0013] (4)测试重复性和复现性较差。测量过程中由于需要二维扫描大口径光栅样品，而大口径光栅的对角线尺寸往往在米量级左右，重量往往在200公斤以上，因而在重复性扫描过程中，大光栅的重复定位精度较差，进而使得测试数据的重复性和复现性难以得到保障。 [0014] 参考文献： [0015] [1]X.W.Zhou,X.Wang,Z.K.Liu,X.D.Xu,and S.J.Fu,"A new System for Measuring the Diffraction Efficiency of Large Aperture Gratings,"5th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing And Testing Technologies:Design,Manufacturing,And Testing Of Micro-And Nano-Optical Devices And Systems,vol.7657,2010. [0016] [2]X.W.Zhou,Y.Liu,X.D.Xu,K.Q.Qiu,Z.K.Liu,Y.L.Hong,et al.,"Diffraction efficiency measurement of large aperture multilayer dielectric grating and its application in the fabrication process,"Acta Physica Sinica,vol.61,Sep 2012. 发明内容[0017] 为了解决现有大口径光栅衍射效率测量装置和方法中存在的问题，本发明提供了一种轻巧便捷实现大口径光栅衍射效率测量的装置和方法。 [0018] 本发明的技术解决方案如下： [0019] 一种大口径光栅衍射效率的测量装置，包括光源13、单色器14、光阑15、聚焦镜16、光纤耦合装置17、传输光纤18、二维扫描机构22、测试光探测器23、供待测光栅26放置的样品台25，以及固定在所述的二维扫描机构22上的光纤准直镜19、分束镜20、参考光探测器21和偏振片24； [0020] 所述的激光器13发出的光束经所述的单色器14形成测量所需波长的单色光束，通过光阑15过滤掉单色光束中的杂散光，同时调节光束口径大小后经所述的聚焦镜16聚焦后的光束通过光纤耦合装置17进入到传输光纤18中，经传输光纤18的传输后，在传输光纤出射端经过光纤准直镜19的准直作用后成为平行光束，该平行光束经过分束镜20形成一束参考光和一束测量光，所述的参考光照射在参考光探测器21上，所述的测试光经过偏振片24形成测量所需的线偏振光，并照射在待测光栅26上，待测光栅26固定在样品台25上。 [0021] 所述的二维扫描机构22由载物台27、光学精密旋转台28、竖直方向的光学精密位移台29和水平方向的光学精密位移台30组成，竖直方向的光学精密位移台29安装在水平方向的光学精密位移台30上，并可在水平方向移动，光学精密旋转台28安装在竖直方向的光学精密位移台29上并可在竖直方向移动，载物台27安装在光学精密旋转台28上，并可绕垂直方向旋转； [0022] 所述的测试光探测器23和参考光探测器21分别经数据采集器与计算机相连。所述的水平方向的光学精密位移台29、竖直方向的光学精密位移台30和光学精密旋转台28分别经步进电机控制器与计算机相连。 [0023] 工作原理： [0024] 在测量过程中，首先使测试光束直接被测试光探测器收集，接着用数据采集器同时采集参考光和测试光的光强信号值，分别记为I1和I2，然后把待测光栅放置于测试光路中，使衍射光束照射在测试光探测器上，利用数据采集器同时采集参考光和衍射光的光强信号值，分别记为 和 则大口径光栅样品在该点位置处的衍射效率η可按照公式(1.1)计算得到： [0025] [0026] 按照图5所示的扫描路径完成大光栅样品全口径内衍射效率的测量，根据公式(1.2)计算大口径内光栅衍射效率的平均值 [0027] [0028] 其中 为大口径内光栅衍射效率的平均值，ηi,j为单点位置处的衍射效率，N为水平方向的采样点数，M为竖直方向的采样点数。 [0029] 根据如下公式(1.3)计算大口径内光栅衍射效率的峰谷值PV： [0030] PV＝ηmax-ηmin (1.3) [0031] 其中PV为大口径内光栅衍射效率峰谷值，ηmax为大口径内光栅衍射效率的最大值，ηmin为大口径内光栅衍射效率的最小值。 [0032] 根据公式(1.4)计算大口径内光栅衍射效率的相对峰谷值ξ： [0033] [0034] 其中 为大口径内光栅衍射效率的相对峰谷值，PV为大口径内光栅衍射效率的峰谷值，为大口径内光栅衍射效率的平均值。 [0035] 根据公式(1.5)计算大口径内光栅衍射效率的标准差σ： [0036] [0037] 其中σ为大口径内光栅衍射效率的标准差，为大口径内光栅衍射效率的平均值，ηi,j为单点位置处的衍射效率，N为水平方向的采样点数，M为竖直方向的采样点数。 [0038] 根据公式(1.6)计算大口径内光栅衍射效率的标准差率χ： [0039] [0040] 其中χ为大口径内光栅衍射效率的标准差率，σ为大口径内光栅衍射效率的标准差，为大口径内光栅衍射效率的平均值。 [0041] 一种大口径光栅衍射效率的测量方法，包括以下步骤： [0042] ①通过旋转光学精密旋转台28以及细微调节准直镜19上的俯仰左右偏摆量，使测量激光束正入射在待测光栅26上(结合带小孔的纸片，根据反射光斑与入射光斑是否重合进行判断)，然后对光学精密旋转台28的坐标进行清零操作。 [0043] ②转动光学精密旋转台28到一定的角度，使测量激光照射在待测光栅26上，并使衍射光斑打在测试光探测器23上，在光栅平面内调节样品台25的倾斜角度，使入射光斑和衍射光斑的高度相等，从而使光栅的刻线垂直于入射面。 [0044] ③通过调节样品台25的俯仰偏摆量，使二维扫描机构22在水平和竖直方向反复扫描光栅26的整个待测量区域的过程中，衍射光斑在参测试光探测器23上的位置基本保持不变。 [0045] ④使光学精密旋转台28的坐标回归零位，并结合光纤准直镜19上的俯仰偏摆调节旋钮，使入射激光光线正入射在待测光栅26上(结合带小孔的纸片，根据反射光斑与入射光斑是否重合进行判断)，然后再按照测量所需要的入射角，旋转二维扫描机构22上的光学精密旋转台28到对应的角度方向。 [0046] ⑤将测试光探测器23从二维扫描机构22的载物台27上拆下，并固定在样品台25上，使测试光直接照射在测试光探测器23上，测试光探测器23和偏振片24之间的距离要和测量光栅26衍射效率时两者之间的距离相等，同时使探测器的接收面垂直于入射光线。 [0047] ⑥用遮光板挡住激光光束，对测试光探测器23和参考光探测器21进行暗场背景校正。 [0048] ⑦打开遮光板，对测试光探测器23和参考光探测器21进行明场背景校正。 [0049] ⑧把测试光探测器23固定在二维扫描机构22的载物台27上，使衍射光斑打在测试光探测器23的接收面上，并使衍射光束垂直于测试光探测器24的感应面。移动二维扫描机构22竖直方向的光学精密位移台29和水平方向的光学精密位移台30，使入射光斑照射在待测光栅26的起始点或者是标记位置上。 [0050] ⑨利用参考光探测器21和测试光探测器23同时测量参考光和衍射光的强度，计算衍射光强和参考光强的比值。根据步骤⑥和步骤⑦获得的暗场背景信号和明场背景信号，计算大口径光栅在该测量位置处的衍射效率值。 [0051] ⑩利用二维扫描机构22竖直方向的光学精密位移台29和水平方向的光学精密位移台30，移动入射光斑到大口径光栅下一个测量点的位置，重复步骤⑨，计算大口径光栅在下一个测量位置处的衍射效率值。 [0052] 重复步骤⑩，使扫描路径覆盖大口径光栅的整个工作区域，从而完成大口径光栅衍射效率的测量。 [0053] 本发明的优点： [0055] (1)测量系统构建成本较低。由于系统的是通过二维扫描轻巧便捷的光纤测量头来实现大口径光栅衍射效率测量的，与传统测量技术中采用的二维扫描大口径光栅(对角线尺寸在米量级，重量200公斤以上)的方案相比，本发明专利采用的测量系统的构建成本得到了大大的降低。 [0056] (2)测量过程安全性较高。由于系统的是通过二维扫描轻巧便捷的光纤测量头来实现大口径光栅衍射效率测量的，与传统测量技术中采用的二维扫描大口径光栅(对角线尺寸在米量级，重量200公斤以上)的方案相比，在基于本发明专利的扫描测量过程中，安全性隐患较低。 [0057] (3)测量速度较快。由于系统是通过二维扫描轻巧便捷的光纤头来实现大口径光栅衍射效率测量的，与传统测量技术中采用的二维扫描大口径光栅(对角线尺寸在米量级，重量200公斤以上)的方案相比，基于本发明专利的扫描测量速度较快，面对同样尺寸大小的光栅样品，在选取同样采样点数的情况下，大口径光栅衍射效率测量所需要的时间可以降低到传统方法的30％以下。 [0058] (4)测试数据重复性和复现性较好。由于系统是通过二维扫描轻巧便捷的光纤头(对角线尺寸在20厘米左右，重量4公斤左右)来实现大口径光栅衍射效率测量的，与传统测量技术中采用的二维扫描大口径光栅(对角线尺寸在米量级，重量200公斤以上)的方案相比，在大口径光栅衍射效率数据重复性和复现性的测量过程中，光纤测量头具有较高的重复定位精度，进而能够保证较好的测试重复性和复现性。附图说明 [0059] 图1是利用传统方法测量大口径光栅衍射效率装置的光路结构图。 [0060] 图2是传统测量系统中样品二维扫描机构的三维结构图。 [0061] 图3是本发明中大口径光栅衍射效率装置的光路结构图。 [0062] 图4是本发明中所采用的二维扫描机构的三维结构图。 [0063] 图5是本发明采用的用于大口径光栅衍射效率测量的二维扫描路线示意图。 [0064] 图6是测量得到的一个大口径光栅衍射效率的轮廓图。 具体实施方式[0065] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 [0066] 实施例： [0067] 一种大口径光栅衍射效率测量的装置，其光路结构如图3所示，该装置包括光源13，单色器14，光阑15，聚焦镜16，光纤耦合装置17，传输光纤18，光纤准直镜19，分束镜20，参考光探测器21，二维扫描机构22，测试光探测器23，偏振片24，样品台25和待测光栅26。图 4所示是二维扫描机构22的三维结构图，主要由载物台27、光学精密旋转台28、竖直方向的光学精密位移台29和水平方向的光学精密位移台30组成。 [0068] 激光器13发出的光束经过单色器14后形成测量所需波长的单色光束，光阑15用于过滤掉单色光束中的杂散光，同时可用于调节光束口径的大小，聚焦镜16起到对平行光束进行聚焦的作用，聚焦后的光束经过光纤耦合装置17后进入到传输光纤18中，经过光纤18的传输后，在光纤出射端经过光纤准直镜19的准直作用后成为平行光束(光纤准直镜19上安装有俯仰偏摆调节旋钮)，平行光束经过分束镜20后形成一束参考光和一束测量光，参考光束照射在参考光探测器21上，测试光束经过偏振片24后形成测量所需的线偏振光，线偏振光照射在待测光栅26上，待测光栅26固定在样品台25上，经光栅衍射的衍射光束被测试光探测器23收集，准直镜19、分束镜20、参考光探测器21、测试光探测器23和偏振片24均固定在载物台27上，二维扫描机构22用于在水平和竖直两个方向分别移动准直镜19、分束镜20、参考光探测器21、测试光探测器23和偏振片24，图5所示为大口径光栅衍射效率测量时采用的二维扫描路线示意图。 [0069] 光源13采用FemtoPower FP1060-20高功率超快光纤激光器，可出射宽波段的复色连续光，单色器14采用Photon etc公司的光栅单色器，其波长工作范围为500nm—1200nm，光阑15采用Thorlabs公司的ID20接杆安装式可变光阑，聚焦镜16和准直镜19均由Thorlabs公司定制而成，光纤耦合装置17、样品台25均由上海联谊光纤激光器公司加工制作，样品台25具有俯仰偏摆调节功能，传输光纤18采用Nufern芯层数值孔径为0.12的单模光纤，偏振片24采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，消光比可达到10000以上，分束器20采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2笼式立方体安装的薄膜分束器，分束比近似等于1:1，参考光探测器21和测试光探测器23均采用卓立汉光的Dsi200硅光电二极管探测器。图4是二维扫描机构22的三维结构图，载物台27、光学精密旋转台28、竖直方向的光学精密位移台29、水平方向的光学精密位移台30均由上海联谊光纤激光器公司加工制作。 [0070] 图6所示是基于本实施例的测量系统测量得到的一个大口径光栅衍射效率的轮廓图，其中大口径光栅的固有参数以及大口径光栅衍射效率的测试条件为：(1)光栅长度＝400mm，(2)光栅宽度＝200mm，(3)光栅周期＝574.7nm，(4)测试波长＝1054nm，(5)入射角＝ 70°，(6)偏振态＝S，(7)衍射级次＝-1级。大口径光栅衍射效率测量的扫描参数为：(1)水平运动步长＝10mm，(2)水平暂停时间＝200ms，(3)水平采样点数＝38，(4)竖直运动步长＝- 10mm，(5)竖直暂停时间＝200ms，(6)竖直采样点数＝18，(7)单点采样次数＝5。大口径光栅衍射效率测量的数值统计结果为：(1)平均衍射效率＝94.35％，(2)衍射效率最大值＝ 95.40％，(3)衍射效率最小值＝92.62％，(4)衍射效率峰谷值＝2.781％，(5)衍射效率相对峰谷值＝2.95％，(6)衍射效率标准差＝0.0057，(7)衍射效率标准差率＝0.61％。 [0071] 表1 所示为基于实施例1的大口径光栅衍射效率的测量系统，所进行的重复性实验的测量结果。从表1中可以看出，在两次大口径光栅衍射效率测量的数值统计结果中，衍射效率平均值的相对偏差为0.049％，衍射效率最大值的相对偏差为0.015％，衍射效率最小值的相对偏差为0.181％，衍射效率峰谷值的相对偏差为0.111％，衍射效率相对峰谷值的相对偏差为0.062％，衍射效率标准差的相对偏差为0.642％，衍射效率标准差率的相对偏差为0.689％，所有采样点衍射效率的相对偏差为0.101％(其计算公式为：这说明本实施例中的大口径光栅衍射效率测量系统具有较 高的数据重复性和复现性。 [0072] 表1.大口径光栅衍射效率的重复性测量结果 [0073] [0074] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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