本發(fā)明涉及一種光譜技術(shù)，特別涉及一種光柵的線密度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
作為一種重要的分光元件，光柵在光譜技術(shù)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。它不僅在小型的光譜儀器中得以廣泛的應(yīng)用，在同步福射單色器中也廣泛使用在軟X射線、真空紫外波段。
常用的幾種測(cè)光柵線密度的方法主要有干涉測(cè)量法，莫爾條紋法，長(zhǎng)程面型儀法以及衍射法。其中前三種測(cè)量方法的測(cè)量精度相對(duì)較低，而且具有一定的使用限制。利用衍射原理來(lái)對(duì)光柵的線密度進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量精度方面更具優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的衍射法一般是采用CCD或者光斑探測(cè)器對(duì)衍射光斑進(jìn)行定位，其測(cè)量原理是利用激光打在光柵上產(chǎn)生的衍射光，通過(guò)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，分別使得光柵的0級(jí)和1級(jí)衍射光沿著原入射方向返回，記錄下它們的位置，代入光柵方程sin(α)+sin(β)=Kλ/d便可以計(jì)算得到該點(diǎn)處的刻線密度1/d。其中，α=β，K=1，故有1/d=2 sin(α)/λ 。由于直接從激光器發(fā)出來(lái)的激光有一定的尺寸大小，而激光打到光柵上的光點(diǎn)面積大小對(duì)最終的線密度測(cè)量精度有著重要的影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是針對(duì)目前光柵線密度測(cè)試方法中存在的缺陷以及精度問(wèn)題，提出了一種光柵的線密度測(cè)量方法，通過(guò)利用光纖減小激光照射到光柵上的照射面積，并分別使得光柵測(cè)量點(diǎn)的0級(jí)和1級(jí)衍射光沿入射方向返回，兩者之間的角度差剛好為1級(jí)衍射角α。根據(jù)測(cè)得的兩束衍射光的角度差進(jìn)行計(jì)算，得出該點(diǎn)處的刻線密度1/d=2 sin(α)/λ。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，光斑尺寸小，準(zhǔn)直性好，測(cè)量精度高，應(yīng)用范圍廣。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種光柵的線密度測(cè)量方法，具體包括如下步驟：
1）測(cè)試系統(tǒng)包括激光光源、光纖耦合器、單模2x2光纖耦合器、光纖功率計(jì)、光纖準(zhǔn)直器、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和電動(dòng)直線位移平臺(tái)，待測(cè)光柵固定在電動(dòng)直線位移平臺(tái)上，單模2x2光纖耦合器有4個(gè)端口P1、P2、P3和P4， 中間為耦合段，激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)光纖耦合器耦合后，進(jìn)入單模2x2光纖耦合器的端口P1，傳到端口P3 的激光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，照射到待測(cè)光柵表面后發(fā)生衍射，產(chǎn)生不同級(jí)次的衍射光；
2）調(diào)整電動(dòng)直線位移平臺(tái)，找到0級(jí)衍射光之后，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)直線位移平臺(tái)下方的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)到合適的位置使得0級(jí)衍射光能沿著原入射光的方向返回，待0級(jí)衍射光原路返回后，再次通過(guò)光纖準(zhǔn)直器，進(jìn)入單模2x2光纖耦合器的端口P3，經(jīng)由端口P3回傳的光將分成兩路，一路傳到端口P1，并經(jīng)由光纖耦合器輸出，回到激光器上；另一路傳到端口P2，輸出到與之相連接的光纖功率計(jì)上，再次調(diào)整電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的角度，當(dāng)光纖功率計(jì)的讀數(shù)達(dá)到可調(diào)范圍內(nèi)的最大值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，并記下此時(shí)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的度數(shù)，此為0級(jí)衍射光自準(zhǔn)直回去的位置θ0；
3）重復(fù)步驟2）得到n級(jí)衍射光自準(zhǔn)直回去的位置θn，θn-θ0為待測(cè)光柵待測(cè)點(diǎn)的n級(jí)衍射角αn，待測(cè)光柵待測(cè)點(diǎn)的線密度大小為1/d=2 sin(αn)/λ，λ為激光光源輸出中心波長(zhǎng)。
所述電動(dòng)直線位移平臺(tái)在0~100mm的范圍內(nèi)連續(xù)移動(dòng)，用于改變待測(cè)光柵的測(cè)量點(diǎn)位置。
所述固定在電動(dòng)直線位移平臺(tái)下方的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使特定級(jí)次的衍射光能沿著入射方向返回。
所述光纖耦合器、單模2x2光纖耦合器和光纖準(zhǔn)直器為與激光光源中心波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的耦合/準(zhǔn)直器。
所述激光光源中心波長(zhǎng)與待測(cè)光柵周期之間需滿足d≥λ/2的條件。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明光柵的線密度測(cè)量方法，穩(wěn)定性高，光斑尺寸小，準(zhǔn)直性好，測(cè)量精度高，應(yīng)用范圍廣。在實(shí)際操作過(guò)程中，只需要將待測(cè)光柵置于電動(dòng)位移臺(tái)上，調(diào)節(jié)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的角度位置，根據(jù)測(cè)得的0級(jí)和1級(jí)衍射光之間的夾角進(jìn)行計(jì)算，得出待測(cè)光柵子午面上各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的刻線密度。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵更高精度的線密度測(cè)量，可用于平面光柵或曲率半徑較大的凹面光柵。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明光柵刻線密度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種光柵線密度測(cè)量系統(tǒng)，包括激光光源1、光纖耦合器2、單模2x2光纖耦合器3、光纖功率計(jì)4、光纖準(zhǔn)直器5、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6、電動(dòng)直線位移平臺(tái)7和待測(cè)光柵8。
激光光源1發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)光纖耦合器2耦合后，進(jìn)入單模2x2光纖耦合器3的端口P1，單模2x2光纖耦合器3有4個(gè)端口P1、P2、P3和P4， 中間為耦合段，激光將從端口P1分別傳輸?shù)蕉丝赑3和端口P4，傳到端口P4的那部分激光會(huì)損失掉，而傳到端口P3 的激光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器5準(zhǔn)直后，會(huì)照射到待測(cè)光柵8表面。激光打在固定在電動(dòng)直線位移平臺(tái)7的待測(cè)光柵8表面后發(fā)生衍射，產(chǎn)生不同級(jí)次的衍射光。通過(guò)觀察0級(jí)衍射光的位置，找到0級(jí)衍射光之后，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)直線位移平臺(tái)7下方的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6，轉(zhuǎn)到合適的位置使得0級(jí)衍射光能沿著原入射光的方向返回。待0級(jí)衍射光原路返回后，再次通過(guò)光纖準(zhǔn)直器5，進(jìn)入單模2x2光纖耦合器3的端口P3，經(jīng)由端口P3回傳的光將分成兩路，一路傳到端口P1，并經(jīng)由光纖耦合器2輸出，回到激光器上；另一路傳到端口P2，輸出到與之相連接的光纖功率計(jì)4上。通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖功率計(jì)4的讀數(shù)大小，調(diào)整電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6的角度，當(dāng)光纖功率計(jì)4的讀數(shù)達(dá)到可調(diào)范圍內(nèi)的最大值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6，并記下此時(shí)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6的度數(shù)，此為0級(jí)衍射光自準(zhǔn)直回去的位置。
同樣的方法，再觀察1級(jí)衍射光的位置，找到1級(jí)衍射光之后，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)直線位移平臺(tái)7下方的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6，轉(zhuǎn)到合適的位置使得1級(jí)衍射光能沿著原入射光的方向返回。待1級(jí)衍射光原路返回后，再次通過(guò)光纖準(zhǔn)直器5，進(jìn)入單模2x2光纖耦合器3的端口P3，經(jīng)由端口P3回傳的光將分成兩路，一路傳到端口P1，并經(jīng)由光纖耦合器2輸出，回到激光器上；另一路傳到端口P2，輸出到與之相連接的光纖功率計(jì)4上。通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖功率計(jì)4的讀數(shù)大小，調(diào)整電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6的角度，當(dāng)光纖功率計(jì)4的讀數(shù)達(dá)到可調(diào)平面范圍內(nèi)的最大值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6，同樣記下此時(shí)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6的度數(shù)，此為1級(jí)衍射光自準(zhǔn)直回去的位置。電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6從0級(jí)衍射光自準(zhǔn)直回去的位置到1級(jí)衍射光自準(zhǔn)直回去的位置所轉(zhuǎn)過(guò)的角度即為光柵待測(cè)點(diǎn)的1級(jí)衍射角α，代入公式即可得出該點(diǎn)的線密度大小為1/d=2 sin(α)/λ，λ為激光光源輸出中心波長(zhǎng)。不同的待測(cè)光柵8有不同的衍射特性，該實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)待測(cè)光柵8的不同來(lái)選擇激光光源1、光纖耦合器2、單模2x2光纖耦合器3和光纖準(zhǔn)直器4。
待測(cè)光柵所固定的一維電動(dòng)直線位移平臺(tái)可以在0～100mm的范圍內(nèi)連續(xù)移動(dòng)，用于改變光柵的測(cè)量點(diǎn)位置。
固定在電動(dòng)直線位移平臺(tái)7下方的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6可以360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使特定級(jí)次的衍射光能沿著入射方向返回。
光纖耦合器2、單模2x2光纖耦合器3和光纖準(zhǔn)直器4為與激光光源1中心波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的高效超穩(wěn)定耦合/準(zhǔn)直器，激光光源1的選擇有賴于待測(cè)光柵8的刻線密度。
在下面的光柵刻線密度測(cè)量實(shí)施實(shí)例中，以輸出中心波長(zhǎng)為632.8nm的激光器、待測(cè)光柵為600線/mm的常間距平面光柵為例，其它光柵與該測(cè)量的實(shí)施方法一致。
激光器輸出中心波長(zhǎng)為632.8nm、待測(cè)光柵為常間距平面光柵，以測(cè)量平面光柵的線密度為例，具體實(shí)現(xiàn)光柵線密度測(cè)量的過(guò)程如下：如圖1所示，由激光光源1、光纖耦合器2(FC/PC，f=15.4mm)、光纖準(zhǔn)直器5（FC/PC，f=2mm）、單模2x2光纖耦合器3（632±15納米，耦合比為50：50）、光纖功率計(jì)4（可探測(cè)波段范圍：400～1100nm，功率范圍：1 nW～40 mW）、電動(dòng)直線位移平臺(tái)7（分辨率：0.00125mm）、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6（分辨率：0.00125°）、待測(cè)光柵為常間距平面光柵8組成。激光光源1發(fā)出的激光脈沖經(jīng)過(guò)光纖耦合器2耦合后，進(jìn)入單模2x2光纖耦合器3的端口P1，激光將從端口P1分別向端口P3和端口P4輸出，傳到端口P4的那部分激光會(huì)直接在空氣中損失掉，而傳到端口P3 的激光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器5準(zhǔn)直后，照射到待測(cè)常間距平面光柵8表面。由于直接從激光器發(fā)出的光斑約3mm，而從光纖傳出來(lái)的光束經(jīng)過(guò)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后打到光柵表面的光斑尺寸只有0.33mm，明顯的小于直接從激光器發(fā)出的光斑，光斑尺寸的減小對(duì)提高整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度有著重大的影響。而后，激光在待測(cè)常間距平面光柵8表面發(fā)生衍射，產(chǎn)生不同級(jí)次的衍射光。這個(gè)時(shí)候我們可以轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6，當(dāng)入射光垂直于待測(cè)常間距平面光柵8表面時(shí)，這個(gè)時(shí)候的0級(jí)衍射光與入射光重合，可以觀察到其它正負(fù)級(jí)次的衍射光對(duì)稱(chēng)分布在0級(jí)衍射光兩側(cè)。而離待測(cè)光柵測(cè)量點(diǎn)的0級(jí)衍射光最近的便是+1、-1級(jí)衍射光。0級(jí)衍射光原路返回后，再次通過(guò)光纖準(zhǔn)直器5，進(jìn)入單模2x2光纖耦合器3的端口P3，經(jīng)由端口P3回傳的光將分成兩路，一路傳到端口P1，并經(jīng)由光纖耦合器2輸出，回到激光器上；另一路傳到端口P2，輸出到與之相連接的光纖功率計(jì)4上。由于我們實(shí)驗(yàn)中所選用的光纖的纖芯直徑很小，大約只有3～5μm，因此只有當(dāng)0級(jí)衍射光嚴(yán)格沿著原入射方向返回時(shí)才能夠進(jìn)入到光纖里面去，最終被光纖功率計(jì)4檢測(cè)到，這樣做的目的在于提高對(duì)角度的測(cè)量精度。光纖功率計(jì)最小能夠檢測(cè)到1nW的光強(qiáng)，因此只要衍射光能沿著原入射方向返回，即使返回來(lái)的光強(qiáng)很微弱依舊能夠檢測(cè)得到。我們通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖功率計(jì)4的讀數(shù)大小，對(duì)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6進(jìn)行微調(diào)，使光纖功率計(jì)4的讀數(shù)達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6，并記下此時(shí)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6的度數(shù)θ1。接下來(lái)，選擇+1和-1級(jí)衍射光其中的任一束作為下一步測(cè)量的對(duì)象，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6使其像0級(jí)衍射光一樣沿著入射方向返回并能被光纖功率計(jì)4檢測(cè)到光強(qiáng)的大小，當(dāng)光纖功率計(jì)4的讀數(shù)達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6，記下此時(shí)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6的度數(shù)θ2。毫無(wú)疑問(wèn)地，這時(shí)我們便可以計(jì)算得到1級(jí)衍射角，它的大小為（θ2—θ1） ，將其帶入光柵方程，就能精確得到該點(diǎn)的光柵線密度1/d=2 sin(θ2—θ1)/λ。其中，λ=632.8nm。
本發(fā)明實(shí)施例可用于大曲率半徑的凹面光柵或平面光柵的線密度測(cè)量，測(cè)量時(shí)將待測(cè)光柵8放置在電動(dòng)直線平移臺(tái)7上，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)6調(diào)整角度，分別使得待測(cè)光柵8產(chǎn)生的0級(jí)和1級(jí)衍射光沿著原入射方向返回到光纖準(zhǔn)直器5上，并通過(guò)與單模2x2光纖耦合器3的端口P2相連接的光纖功率計(jì)4的讀數(shù)來(lái)觀測(cè)衍射光的返回情況。通過(guò)電動(dòng)直線平移臺(tái)7帶動(dòng)待測(cè)光柵8平移，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)光柵8上不同位置的線密度的精確測(cè)量。