本發(fā)明涉及光柵衍射效率的測量領(lǐng)域，特別是一種大口徑光柵衍射效率的測量裝置和測量方法。

背景技術(shù)：

大口徑光柵(對角線尺寸達到米級)在基于慣性約束核聚變的高功率啁啾脈沖放大系統(tǒng)中、在大口徑天文望遠鏡中、在精密位移測量中、在納米壓印光刻以及其他諸多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用，而衍射效率是大口徑光柵最重要的性能指標之一，大口徑內(nèi)衍射效率的準確測量對于評價大口徑光柵的性能、改進大口徑光柵的加工工藝有著重要的意義。

目前國際上普遍采用的大口徑光柵衍射效率測量裝置的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示[1,2]，主要包括光源1、單色器2，光闌3、分束鏡4、偏振片5、參考光探測器6、測試光探測器7、樣品二維掃描機構(gòu)8和待測光柵9，圖2所示是樣品二維掃描機構(gòu)8的三維結(jié)構(gòu)示意圖，主要由樣品放置臺10、豎直方面的光學(xué)精密位移臺11和水平方向的光學(xué)精密位移臺12組成，基于該測量系統(tǒng)，大口徑光柵衍射效率測量的主要步驟如下：

①使測試光直接被測試光探測器收集，然后同時測量測試光的強度和參考光的強度，計算測試光強和參考光強的比值。

②使光柵的衍射光直接被測試光探測器收集，然后同時測量衍射光的強度和參考光的強度，計算衍射光強和參考光強的比值。

③根據(jù)步驟①獲得的測試光強和參考光強的比值，和步驟②得到的衍射光強和參考光強的比值，計算大口徑光柵在單個位置處的衍射效率值。

④利用樣品二維掃描機構(gòu)，移動大口徑光柵樣品到下一個測量點的位置，重復(fù)步驟②和③，計算大口徑光柵在下一個測量位置處的衍射效率值。

⑤重復(fù)步驟④，使掃描路徑覆蓋大口徑光柵的整個工作區(qū)域，從而完成大口徑光柵衍射效率的測量。

這種測量大口徑光柵衍射效率裝置和方法的主要缺點是：

(1)測量系統(tǒng)構(gòu)建成本較高。由于系統(tǒng)的是通過二維掃描大口徑光柵來實現(xiàn)衍射效率測量的，而大口徑光柵的對角線尺寸往往在米量級左右，重量往往在200公斤以上，為了實現(xiàn)超重負載二維掃描的功能，二維掃描機械機構(gòu)需要花費較高的成本。

(2)測量過程安全隱患較大。測量過程中由于需要持續(xù)不斷的二維掃描大口徑光柵樣品，而大口徑光柵的對角線尺寸往往在米量級左右，重量往往在200公斤以上，因而在二維掃描超重負載的測量過程中，具有較大的安全隱患。

(3)測量速度較慢，工作效率低。測量過程中由于需要二維掃描大口徑光柵樣品，而大口徑光柵的對角線尺寸往往在米量級左右，重量往往在200公斤以上，因而在二維移動大口徑光柵的時候，需要非常緩慢平穩(wěn)的移動光柵(加速度、最高速度和減速度需要控制的非常小)，這使得大口徑光柵衍射效率的測量時間非常漫長，如測量一塊尺寸大小為430mm×350mm的光柵的衍射效率，需要長達6個多小時的時間[1]，在長時間的測量過程中，測量環(huán)境會發(fā)生很多未知的變化，進而會帶來不可忽略的測量誤差，同時測量時間較長也降低了測量系統(tǒng)的工作效率。

(4)測試重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性較差。測量過程中由于需要二維掃描大口徑光柵樣品，而大口徑光柵的對角線尺寸往往在米量級左右，重量往往在200公斤以上，因而在重復(fù)性掃描過程中，大光柵的重復(fù)定位精度較差，進而使得測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性難以得到保障。

參考文獻：

[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.

[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.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有大口徑光柵衍射效率測量裝置和方法中存在的問題，本發(fā)明提供了一種輕巧便捷實現(xiàn)大口徑光柵衍射效率測量的裝置和方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種大口徑光柵衍射效率的測量裝置，包括光源13、單色器14、光闌15、聚焦鏡16、光纖耦合裝置17、傳輸光纖18、二維掃描機構(gòu)22、測試光探測器23、供待測光柵26放置的樣品臺25，以及固定在所述的二維掃描機構(gòu)22上的光纖準直鏡19、分束鏡20、參考光探測器21和偏振片24；

所述的激光器13發(fā)出的光束經(jīng)所述的單色器14形成測量所需波長的單色光束，通過光闌15過濾掉單色光束中的雜散光，同時調(diào)節(jié)光束口徑大小后經(jīng)所述的聚焦鏡16聚焦后的光束通過光纖耦合裝置17進入到傳輸光纖18中，經(jīng)傳輸光纖18的傳輸后，在傳輸光纖出射端經(jīng)過光纖準直鏡19的準直作用后成為平行光束，該平行光束經(jīng)過分束鏡20形成一束參考光和一束測量光，所述的參考光照射在參考光探測器21上，所述的測試光經(jīng)過偏振片24形成測量所需的線偏振光，并照射在待測光柵26上，待測光柵26固定在樣品臺25上。

所述的二維掃描機構(gòu)22由載物臺27、光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28、豎直方向的光學(xué)精密位移臺29和水平方向的光學(xué)精密位移臺30組成，豎直方向的光學(xué)精密位移臺29安裝在水平方向的光學(xué)精密位移臺30上，并可在水平方向移動，光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28安裝在豎直方向的光學(xué)精密位移臺29上并可在豎直方向移動，載物臺27安裝在光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28上，并可繞垂直方向旋轉(zhuǎn)；

所述的測試光探測器23和參考光探測器21分別經(jīng)數(shù)據(jù)采集器與計算機相連。所述的水平方向的光學(xué)精密位移臺29、豎直方向的光學(xué)精密位移臺30和光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28分別經(jīng)步進電機控制器與計算機相連。

工作原理：

在測量過程中，首先使測試光束直接被測試光探測器收集，接著用數(shù)據(jù)采集器同時采集參考光和測試光的光強信號值，分別記為I₁和I₂，然后把待測光柵放置于測試光路中，使衍射光束照射在測試光探測器上，利用數(shù)據(jù)采集器同時采集參考光和衍射光的光強信號值，分別記為和則大口徑光柵樣品在該點位置處的衍射效率η可按照公式(1.1)計算得到：

$\mathrm{\η}=\frac{I_2^{*}\×I_1}{I_1^{*}\×I_2}---\left(1.1\right)$

按照圖5所示的掃描路徑完成大光柵樣品全口徑內(nèi)衍射效率的測量，根據(jù)公式(1.2)計算大口徑內(nèi)光柵衍射效率的平均值

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=\frac{\underset{i=j=0}{\overset{i=N,j=M}{\Σ}}{\mathrm{\η}}_{i,j}}{M\×N}---\left(1.2\right)$

其中為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的平均值，η_i,j為單點位置處的衍射效率，N為水平方向的采樣點數(shù)，M為豎直方向的采樣點數(shù)。

根據(jù)如下公式(1.3)計算大口徑內(nèi)光柵衍射效率的峰谷值PV：

PV＝η_max-η_min (1.3)

其中PV為大口徑內(nèi)光柵衍射效率峰谷值，η_max為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的最大值，η_min為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的最小值。

根據(jù)公式(1.4)計算大口徑內(nèi)光柵衍射效率的相對峰谷值ξ：

$\mathrm{\ξ}=\frac{PV}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}\×100\%---\left(1.4\right)$

其中為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的相對峰谷值，PV為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的峰谷值，為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的平均值。

根據(jù)公式(1.5)計算大口徑內(nèi)光柵衍射效率的標準差σ：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=j=0}{\overset{i=N,j=M}{\Σ}}{\left({\mathrm{\η}}_{i,j}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\right)}^2}{M\×N-1}}---\left(1.5\right)$

其中σ為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的標準差，為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的平均值，η_i,j為單點位置處的衍射效率，N為水平方向的采樣點數(shù)，M為豎直方向的采樣點數(shù)。

根據(jù)公式(1.6)計算大口徑內(nèi)光柵衍射效率的標準差率χ：

$\mathrm{\χ}=\frac{\mathrm{\σ}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}---\left(1.6\right)$

其中χ為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的標準差率，σ為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的標準差，為大口徑內(nèi)光柵衍射效率的平均值。

一種大口徑光柵衍射效率的測量方法，包括以下步驟：

①通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28以及細微調(diào)節(jié)準直鏡19上的俯仰左右偏擺量，使測量激光束正入射在待測光柵26上(結(jié)合帶小孔的紙片，根據(jù)反射光斑與入射光斑是否重合進行判斷)，然后對光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28的坐標進行清零操作。

②轉(zhuǎn)動光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28到一定的角度，使測量激光照射在待測光柵26上，并使衍射光斑打在測試光探測器23上，在光柵平面內(nèi)調(diào)節(jié)樣品臺25的傾斜角度，使入射光斑和衍射光斑的高度相等，從而使光柵的刻線垂直于入射面。

③通過調(diào)節(jié)樣品臺25的俯仰偏擺量，使二維掃描機構(gòu)22在水平和豎直方向反復(fù)掃描光柵26的整個待測量區(qū)域的過程中，衍射光斑在參測試光探測器23上的位置基本保持不變。

④使光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28的坐標回歸零位，并結(jié)合光纖準直鏡19上的俯仰偏擺調(diào)節(jié)旋鈕，使入射激光光線正入射在待測光柵26上(結(jié)合帶小孔的紙片，根據(jù)反射光斑與入射光斑是否重合進行判斷)，然后再按照測量所需要的入射角，旋轉(zhuǎn)二維掃描機構(gòu)22上的光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28到對應(yīng)的角度方向。

⑤將測試光探測器23從二維掃描機構(gòu)22的載物臺27上拆下，并固定在樣品臺25上，使測試光直接照射在測試光探測器23上，測試光探測器23和偏振片24之間的距離要和測量光柵26衍射效率時兩者之間的距離相等，同時使探測器的接收面垂直于入射光線。

⑥用遮光板擋住激光光束，對測試光探測器23和參考光探測器21進行暗場背景校正。

⑦打開遮光板，對測試光探測器23和參考光探測器21進行明場背景校正。

⑧把測試光探測器23固定在二維掃描機構(gòu)22的載物臺27上，使衍射光斑打在測試光探測器23的接收面上，并使衍射光束垂直于測試光探測器24的感應(yīng)面。移動二維掃描機構(gòu)22豎直方向的光學(xué)精密位移臺29和水平方向的光學(xué)精密位移臺30，使入射光斑照射在待測光柵26的起始點或者是標記位置上。

⑨利用參考光探測器21和測試光探測器23同時測量參考光和衍射光的強度，計算衍射光強和參考光強的比值。根據(jù)步驟⑥和步驟⑦獲得的暗場背景信號和明場背景信號，計算大口徑光柵在該測量位置處的衍射效率值。

⑩利用二維掃描機構(gòu)22豎直方向的光學(xué)精密位移臺29和水平方向的光學(xué)精密位移臺30，移動入射光斑到大口徑光柵下一個測量點的位置，重復(fù)步驟⑨，計算大口徑光柵在下一個測量位置處的衍射效率值。

重復(fù)步驟⑩，使掃描路徑覆蓋大口徑光柵的整個工作區(qū)域，從而完成大口徑光柵衍射效率的測量。

本發(fā)明的優(yōu)點：

與傳統(tǒng)大口徑光柵衍射效率的測量技術(shù)相比，本發(fā)明專利提出的測量裝置和測量方法主要具有以下優(yōu)點：

(1)測量系統(tǒng)構(gòu)建成本較低。由于系統(tǒng)的是通過二維掃描輕巧便捷的光纖測量頭來實現(xiàn)大口徑光柵衍射效率測量的，與傳統(tǒng)測量技術(shù)中采用的二維掃描大口徑光柵(對角線尺寸在米量級，重量200公斤以上)的方案相比，本發(fā)明專利采用的測量系統(tǒng)的構(gòu)建成本得到了大大的降低。

(2)測量過程安全性較高。由于系統(tǒng)的是通過二維掃描輕巧便捷的光纖測量頭來實現(xiàn)大口徑光柵衍射效率測量的，與傳統(tǒng)測量技術(shù)中采用的二維掃描大口徑光柵(對角線尺寸在米量級，重量200公斤以上)的方案相比，在基于本發(fā)明專利的掃描測量過程中，安全性隱患較低。

(3)測量速度較快。由于系統(tǒng)是通過二維掃描輕巧便捷的光纖頭來實現(xiàn)大口徑光柵衍射效率測量的，與傳統(tǒng)測量技術(shù)中采用的二維掃描大口徑光柵(對角線尺寸在米量級，重量200公斤以上)的方案相比，基于本發(fā)明專利的掃描測量速度較快，面對同樣尺寸大小的光柵樣品，在選取同樣采樣點數(shù)的情況下，大口徑光柵衍射效率測量所需要的時間可以降低到傳統(tǒng)方法的30％以下。

(4)測試數(shù)據(jù)重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性較好。由于系統(tǒng)是通過二維掃描輕巧便捷的光纖頭(對角線尺寸在20厘米左右，重量4公斤左右)來實現(xiàn)大口徑光柵衍射效率測量的，與傳統(tǒng)測量技術(shù)中采用的二維掃描大口徑光柵(對角線尺寸在米量級，重量200公斤以上)的方案相比，在大口徑光柵衍射效率數(shù)據(jù)重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性的測量過程中，光纖測量頭具有較高的重復(fù)定位精度，進而能夠保證較好的測試重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性。

附圖說明

圖1是利用傳統(tǒng)方法測量大口徑光柵衍射效率裝置的光路結(jié)構(gòu)圖。

圖2是傳統(tǒng)測量系統(tǒng)中樣品二維掃描機構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明中大口徑光柵衍射效率裝置的光路結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明中所采用的二維掃描機構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本發(fā)明采用的用于大口徑光柵衍射效率測量的二維掃描路線示意圖。

圖6是測量得到的一個大口徑光柵衍射效率的輪廓圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例：

一種大口徑光柵衍射效率測量的裝置，其光路結(jié)構(gòu)如圖3所示，該裝置包括光源13，單色器14，光闌15，聚焦鏡16，光纖耦合裝置17，傳輸光纖18，光纖準直鏡19，分束鏡20，參考光探測器21，二維掃描機構(gòu)22，測試光探測器23，偏振片24，樣品臺25和待測光柵26。圖4所示是二維掃描機構(gòu)22的三維結(jié)構(gòu)圖，主要由載物臺27、光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28、豎直方向的光學(xué)精密位移臺29和水平方向的光學(xué)精密位移臺30組成。

激光器13發(fā)出的光束經(jīng)過單色器14后形成測量所需波長的單色光束，光闌15用于過濾掉單色光束中的雜散光，同時可用于調(diào)節(jié)光束口徑的大小，聚焦鏡16起到對平行光束進行聚焦的作用，聚焦后的光束經(jīng)過光纖耦合裝置17后進入到傳輸光纖18中，經(jīng)過光纖18的傳輸后，在光纖出射端經(jīng)過光纖準直鏡19的準直作用后成為平行光束(光纖準直鏡19上安裝有俯仰偏擺調(diào)節(jié)旋鈕)，平行光束經(jīng)過分束鏡20后形成一束參考光和一束測量光，參考光束照射在參考光探測器21上，測試光束經(jīng)過偏振片24后形成測量所需的線偏振光，線偏振光照射在待測光柵26上，待測光柵26固定在樣品臺25上，經(jīng)光柵衍射的衍射光束被測試光探測器23收集，準直鏡19、分束鏡20、參考光探測器21、測試光探測器23和偏振片24均固定在載物臺27上，二維掃描機構(gòu)22用于在水平和豎直兩個方向分別移動準直鏡19、分束鏡20、參考光探測器21、測試光探測器23和偏振片24，圖5所示為大口徑光柵衍射效率測量時采用的二維掃描路線示意圖。

光源13采用FemtoPower FP1060-20高功率超快光纖激光器，可出射寬波段的復(fù)色連續(xù)光，單色器14采用Photon etc公司的光柵單色器，其波長工作范圍為500nm—1200nm，光闌15采用Thorlabs公司的ID20接桿安裝式可變光闌，聚焦鏡16和準直鏡19均由Thorlabs公司定制而成，光纖耦合裝置17、樣品臺25均由上海聯(lián)誼光纖激光器公司加工制作，樣品臺25具有俯仰偏擺調(diào)節(jié)功能，傳輸光纖18采用Nufern芯層數(shù)值孔徑為0.12的單模光纖，偏振片24采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形線偏振片，消光比可達到10000以上，分束器20采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2籠式立方體安裝的薄膜分束器，分束比近似等于1:1，參考光探測器21和測試光探測器23均采用卓立漢光的Dsi200硅光電二極管探測器。圖4是二維掃描機構(gòu)22的三維結(jié)構(gòu)圖，載物臺27、光學(xué)精密旋轉(zhuǎn)臺28、豎直方向的光學(xué)精密位移臺29、水平方向的光學(xué)精密位移臺30均由上海聯(lián)誼光纖激光器公司加工制作。

圖6所示是基于本實施例的測量系統(tǒng)測量得到的一個大口徑光柵衍射效率的輪廓圖，其中大口徑光柵的固有參數(shù)以及大口徑光柵衍射效率的測試條件為：(1)光柵長度＝400mm，(2)光柵寬度＝200mm，(3)光柵周期＝574.7nm，(4)測試波長＝1054nm，(5)入射角＝70°，(6)偏振態(tài)＝S，(7)衍射級次＝-1級。大口徑光柵衍射效率測量的掃描參數(shù)為：(1)水平運動步長＝10mm，(2)水平暫停時間＝200ms，(3)水平采樣點數(shù)＝38，(4)豎直運動步長＝-10mm，(5)豎直暫停時間＝200ms，(6)豎直采樣點數(shù)＝18，(7)單點采樣次數(shù)＝5。大口徑光柵衍射效率測量的數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果為：(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)衍射效率相對峰谷值＝2.95％，(6)衍射效率標準差＝0.0057，(7)衍射效率標準差率＝0.61％。

表1 所示為基于實施例1的大口徑光柵衍射效率的測量系統(tǒng)，所進行的重復(fù)性實驗的測量結(jié)果。從表1中可以看出，在兩次大口徑光柵衍射效率測量的數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果中，衍射效率平均值的相對偏差為0.049％，衍射效率最大值的相對偏差為0.015％，衍射效率最小值的相對偏差為0.181％，衍射效率峰谷值的相對偏差為0.111％，衍射效率相對峰谷值的相對偏差為0.062％，衍射效率標準差的相對偏差為0.642％，衍射效率標準差率的相對偏差為0.689％，所有采樣點衍射效率的相對偏差為0.101％(其計算公式為：這說明本實施例中的大口徑光柵衍射效率測量系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性。

表1.大口徑光柵衍射效率的重復(fù)性測量結(jié)果

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。