一种保持入射角不变的光栅衍射效率测试仪

摘要

一种保持入射角不变的光栅衍射效率测试仪包括外光源系统、前置分光单色仪、测量单色仪、测量控制系统。前置单色仪的壳体外带有两个狭缝，分别为入射狭缝和出射狭缝，壳体内部是光栅色散分光系统。衍射效率测量单色仪是通过加入一块可旋转平面反射镜控制光栅衍射光束传播方向，调节因波长不同带来的衍射方向不同，使之始终保持一个方向入射到会聚物镜上，最终成像在固定位置的探测器上，完成测量。测量过程中待测光栅不需要转动，实现了测试条件的一致：测量不同波长的衍射效率时入射角保持不变。同时的测量系统旋转平面反射镜采用计算机自动控制，测试过程自动化程度高，测试结果可信。

说明书

技术领域

本发明属于光谱技术领域中的一种光栅衍射效率测试仪，特别是一种保持入射角不变的光栅衍射效率测试仪。

技术背景

在物理光学上光栅是重要的分光色散元件，而光栅的衍射效率是光栅的非常重要的技术性能指标，它直接影响光谱仪器的能量传输特性。同一块光栅对于不同的波长以及相同波长的不同级次的衍射效率都是不同的，而在不同的使用场合会依据系统需求对光栅在某一波长的某个级次的衍射效率提出不同技术指标要求，比如60％以上或者70％以上。所以光栅的研制和生产单位，对它所研制、生产出的光栅要进行光栅衍射效率的测试。

世界上研制及生产光栅的国家，对光栅的衍射效率都建立了相应的测试方法，研制出测试仪器。在测试仪器中普遍采用两台单色仪的结构形式，与本发明最为接近的已有技术，是美国光谱物理公司光栅实验室采用的衍射效率测量仪，同时国内一些高校及研究单位采用过类似的测量装置，比如浙江大学、中科院长春光机所等。如图1所示，这种测量仪包括：光源外光路、前置单色仪、测量单色仪、控制系统。光源外光路包括：光源24、聚光镜25、33；前置单色仪包括：入射狭缝26、平面反射镜27、31，准直镜28、光栅29、成像物镜30、出射狭缝32，壳体41；测量单色仪包括：平面反射镜34、准直镜35、被测光栅36或标准平面反射镜37、成像物镜38、壳体42；控制系统包括：光电倍增管39、控制器40。

从图2所示的结构可知，光源外光路和前置单色仪的作用是为测量单色仪提供单色光源，控制系统控制前置单色仪中的光栅和测量单色仪中的被测光栅36相对于波长同步转动来完成衍射效率的测量。

其自动测量过程是：

(1)由控制系统同时控制光栅29和被测光栅36的连续转动角速度，以保证前置单色仪与测量单色仪输出同意波长的单色光；

(2)被测光栅36和标准平面反射镜37快速地相互置换，以保证光电倍增管39在较短的时间间隔内接受到分别来自被测光栅36的衍射光和标准平面反射镜37的反射光在光电倍增管产生的电流并计算它们的比值；

(3)当光栅29和被测光栅36转动到下一个波长时，反复重复步骤(1)和步骤(2)就可以得到不同波长的衍射效率。

该种结构装置存在的问题主要体现在：测量不同波长时，光栅29和被测光栅36需要转到特定角度，此时被测光栅36的入射光方向发生变化，改变了不同波长衍射效率的测量条件，使不同波长间衍射效率的可比性降低，影响测量精确度；测被测光栅和标准平面反射镜相互置换采用手工方式，更换完毕后还需要在一个较小的范围内进行微小调整，以保证光栅的衍射光和标准平面反射镜的反射光完全进入到光电倍增管中被接受，整个过程耗时较长，精度不高。

发明内容

本发明技术解决问题：为了克服已有技术存在的缺点，提供一种保持入射角不变的光栅衍射效率测试仪，提高了测量精度，同时使测量时间缩短。

本发明要解决的技术方问题是：一种保持入射角不变的光栅衍射效率测试仪，包括外光源、前置单色仪、测量单色仪和测量控制系统，所述前置单色仪包括入射狭缝、第一平面反射镜和第二平面反射镜、准直凹面镜、聚光物镜、光栅、第一转台、出射狭缝、前置单色仪壳体、第一步进电机；所述测量单色仪包括准直凹面镜、被测光栅、标准平面反射镜、连接件、第二转台和第三转台、第二步进电机和第三步进电机、第三平面反射镜和第四平面反射镜、聚光物镜、测量单色仪壳体；所述测量控制系统包括探测器和控制器；在所述前置单色仪壳体的左右两侧分别有入射狭缝和出射狭缝；第一平面反射镜和第二平面反射镜均与入射光成45度放置，两个反射镜的反射面分别朝右左，第一平面反射镜将入射光反射到准直凹面镜，第二平面反射镜将入射光反射到出射狭缝；准直凹面镜和聚光物镜对称安置，且准直凹面镜和聚光物镜的反射面朝向下，两镜的光轴方向分别平行于前置单色仪壳体左右边线，两镜的焦点分别位于入射狭缝和出射狭缝上，准直凹面镜的反射平行光射向光栅，光栅的衍射光射向聚光物镜，聚光物镜的反射会聚光射向第二平面反射镜；光栅固定在第一转台上，由控制器通过第一步进电机控制第一转台的角度；在所述测量单色仪的测量光路中，反射准直镜和反射聚光镜对称安装在测量单色仪壳体的左上方和左下方，两镜的反射面朝向右，两镜的光轴方向与壳体的上下边平行，反射准直镜的焦点位于前置单色仪的出射狭缝，反射聚光镜的焦点位于探测器的光敏面，反射准直镜的反射准直光射向被测光栅或标准平面反射镜，反射聚光镜的反射会聚光射向探测器光敏面；被测光栅和平面反射镜由连接件连接并固定在第三转台上，第三转台由第二步进电机驱动旋转不同角度进行不同入射角的测试；第三平面反射镜和第四平面反射镜相向安装，两镜反射面分别朝向右左，安装方向与入射光成一定角度，第三平面反射镜的反射光射向第四平面反射镜，第四平面反射镜的反射光射向反射聚光镜；第二步进电机和第三步进电机通过控制器控制；控制器控制第三步进电机驱动第三转台旋转180度后更换测量模式，由衍射光测量模式切换入射光测量模式或者反向切换，完成一次衍射效率的测试；探测器的测量结果和衍射效率计算由控制器计算处理并显示。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有的技术中，被测光栅是通过旋转到不同角度来实现不同波长的衍射效率的测试，其测量条件随着波长而改变，测量结果与实际情况略有不同，其测量精度受到影响。而本发明通过加入一块可旋转的平面反射镜，控制不同波长衍射光束的传播方向，使得在测量不同波长衍射效率时入射角能够保持不变，提高衍射效率测量结果的可比性，测试结果更加符合实际使用情况，从而提高了测量精度。

(2)本发明中采用控制系统进行标准平面反射镜和被测光栅之间的更换，较已有技术中的手动切换方式，工作时间更短，精度更高，自动化程度更高。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3是本发明中控制器的结构示意图；

图4是本发明中标准平面反射镜18、被测量光栅15、连接件17及转台19的装配图；

图5是本发明中步进电机和转台传动的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括外光源1、前置单色仪、测量单色仪和测量控制系统。前置单色仪包括入射狭缝2、第一平面反射镜3和第二平面反射镜8、准直凹面镜6、聚光物镜7、光栅4、第一转台5、出射狭缝9、前置单色仪壳体51、第一步进电机52；所述测量单色仪包括准直凹面镜10、被测光栅、15、标准平面反射镜18、连接件17、第二转台12和第三转台19、第二步进电机22和第三步进电机23、第三平面反射镜11和第四平面反射镜16、聚光物镜14、测量单色仪壳体13；所述测量控制系统包括探测器20和控制器21；在所述前置单色仪壳体51的左右两侧分别有入射狭缝2和出射狭缝9；第一平面反射镜3和第二平面反射镜8均与入射光成45度放置，两个反射镜的反射面分别朝右左，第一平面反射镜3将入射光反射到准直凹面镜6，第二平面反射镜8将入射光反射到出射狭缝；准直凹面镜6和聚光物镜7对称安置，且准直凹面镜6和聚光物镜7的反射面朝向下，两镜的光轴方向分别平行于前置单色仪壳体51左右边线，两镜的焦点分别位于入射狭缝2和出射狭缝9上，准直凹面镜6的反射平行光射向光栅4，光栅4的衍射光射向聚光物镜7，聚光物镜7的反射会聚光射向第二平面反射镜8；光栅4固定在第一转台5上，由控制器21通过第一步进电机52控制第一转台5的角度；在所述测量单色仪的测量光路中，反射准直镜10和反射聚光镜14对称安装在测量单色仪壳体13的左上方和左下方，两镜的反射面朝向右，两镜的光轴方向与壳体13的上下边平行，反射准直镜10的焦点位于前置单色仪的出射狭缝9，反射聚光镜14的焦点位于探测器20的光敏面，反射准直镜10的反射准直光射向被测光栅15或标准平面反射镜18，反射聚光镜14的反射会聚光射向探测器20光敏面；光栅15和平面反射镜18由连接件17连接并固定在第三转台19上，第三转台19由第二步进电机23驱动旋转不同角度进行不同入射角的测试；第三平面反射镜11和第四平面反射镜16相向安装，两镜反射面分别朝向右左，安装方向与入射光成45度，第三平面反射镜11的反射光射向第四平面反射镜16，第四平面反射镜16的反射光射向反射聚光镜14；第二步进电机22和第三步进电机23通过控制器21控制，探测器20的测量结果和衍射效率计算由控制器21计算处理并显示。

如图3所示，本发明的控制器21包括探测器数据输出43、前置放大器44、锁相放大器45、A/D转化卡46、控制电脑47、步进电机PCI控制卡48、伺服驱动器49；控制电脑47通过程序对步进电机PCI控制卡48发出指令，启动伺服驱动器49输出三路驱动信号50，带动测量单色仪中的第二步进电机22和第三步进电机23和前置单色仪中第一步进电机52，驱使第二转台12、第三转台19和第一转台5转动到所需要的角度，完成某一波长的光栅衍射效率测量光路调节；调节完毕后探测器20将辐射量转换为输出电信号43，前置放大器44将探测器20的输出电信号43放大，传送给锁相放大器45解调，锁相放大器45将解调信号传送到A/D转换器46完成模拟信号到数字信号的转化，控制电脑47接受来自A/D转换器46的数字信号，进行计算处理和结果显示，完成该波长的光栅衍射效率测量。

如图4、5所示，在本发明的测量单色仪的测量光路中，标准平面反射镜18和被测量光栅15通过螺钉53与连接件17竖直板上的螺孔连接在一起，标准平面反射镜18的反射面A和被测量光栅15的刻划面B均背向连接件17朝向外；连接件17通过水平底板上的螺孔经螺钉54固定在第三转台19上；标准平面反射镜18的反射面和被测光栅15的刻画面平行。步进电机23固定在电机座55上，蜗杆58固定在蜗杆座57上。控制器21控制第三步进电机23通过联轴节56驱动蜗杆58转动，蜗杆58传动第三转台19旋转180度后更换测量模式，由衍射光测量模式切换入射光测量模式或者反向切换，完成一次衍射效率的测试。

本发明的工作过程如下：

(1)外光源1发出的连续光谱经由入射狭缝2进入前置单色仪中，第一平面反射镜3将入射光反射到准直凹面镜6进行准直，准直平行光入射到光栅4，控制器21通过第一步进电机52控制第一转台5的转动角度，使波长为λ_n的单色光能够通过聚光物镜7的反射会聚光射向第二平面反射镜8后，聚焦到出射狭缝9，前置单色仪完成单色分光。

(2)出射狭缝9出射单色会聚光进入测量单色仪，经准直凹面镜10变成平行光后到达被测光栅15，被测光栅15将波长为λ₀的单色光衍射到第三平面反射镜11，控制器21通过第二步进电机22控制第二转台12转到特定的角度，使得平面反射镜11与被测光栅15衍射光束夹角为45度，并将衍射光束反射给第四平面反射镜16，第四平面反射镜16的反射光得以平行与聚光物镜14的光轴入射，聚光物镜14将入射平行光聚焦到探测器20完成衍射光强测量，记录此时的电压V₁；控制器21通过三步进电机23控制第三转台19快速转到180度，将被测光栅15切换成标准平面反射镜18，至此准直凹面镜10的准直平行光射到标准平面反射镜18，由于被测光栅15的衍射光方向和标准平面反射镜18的反射光方向不同，需再次控制第二转台12转到一定角度，使得平面反射镜11与标准平面反射镜18的反射光束夹角为45度，将反射光按预定方向反射给第四平面反射镜16，再次使第四平面反射镜16的反射光得以平行与聚光物镜14的光轴入射，聚光物镜14将入射平行光聚焦到探测器20完成标准平面镜反射光强测量，记录此时的电压V₂；控制器21计算出波长λ₀的衍射效率η＝V₁/V₂。

(3)测量不同波长λ₁的衍射效率时，前置单色仪中光栅4需转动到特定方向。由于在本发明的前置单色仪中，准直凹面镜6位置固定，其反射的平行光束方向固定不变，故光栅4的入射光方向不变；经光栅4衍射后各不同波长单色光向不同方向传输，只有平行于聚光物镜7光轴方向的单色光才能被会聚到位置固定的出射狭缝9进而被后续测量使用，该单色光才是衍射光，其传播方向平行与聚光物镜7光轴。由于聚光物镜7的位置固定，其光轴方向固定，即衍射光方向固定。当光栅4转到不同方向时，光栅法线方向就会变化，虽然入射光和衍射光方向固定不变，但是光栅的入射角(入射光与法线的夹角)和衍射角(衍射光与法线的夹角)却随之发生改变。要实现波长λ₁的单色光出射，光栅需转到特定角度，使得光栅入射角和出射角满足光栅方程：d(sinθ-sinφ)＝mλ₁，式中d为光栅常数，θ为入射角，φ为衍射角，m为衍射级次，λ₁为所需出射波长。实现波长λ₁的单色光出射后，重复步骤(2)，完成不同波长的衍射效率测量。

(4)当需要测量不同入射角的光栅衍射效率时，控制器20控制第三转台19转到被测光栅15，使被测光栅15的法线方向与准直凹面镜10的光轴方向的夹角随之变化，即改变了入射角，重复步骤(1)和步骤(2)，即可完成不同入射角下光栅衍射效率测量。

本发明的结构实施中，外光源1采用腔式黑体，温度设定为500K，此时黑体在长波红外8～12μm辐射较强；准直凹面镜6、聚光物镜7基底采用硬铝，表面镀金，焦距为300mm，口径75mm，F#为4；第一平面反射镜3、第二平面反射镜8、第三平面反射镜11、第四平面反射镜16和标准平面反射镜18基底采用硬铝，表面镀金，在长波红外8～12μm反射率达到98％以上，面型精度PV小于0.5λ；入射狭缝2、出射狭缝9是通过齿轮精密传动控制狭缝开口宽度，以调节入射及出射光强，宽度可调范围在0.01～3mm；准直凹面镜10采用基底为硬铝的立轴抛物镜，表面镀金，立轴量30mm，焦距80mm；聚光物镜14采用基底为硬铝的立轴抛物镜，表面镀金，立轴量50mm，焦距100mm；第一转台5、第二转台12和第三转台19为材质为铜合金的蜗轮，由步进电机驱动蜗杆传动，可旋转360度；第一步进电机5、第二步进电机22和第三步进电机23采用雷赛57HS09步进电机；连接件17材质为硬铝。测量单色仪壳体13的材质为45#钢，厚度8mm；探测器20为HgCdTe红外探测器；前置放大器44采用8KKMH0402前置放大器；锁相放大器45采用HB-212双通道双相锁定放大器；控制电脑47采用研祥工控机；步进电机PCI控制卡48采用MPC07四轴运动控制器、伺服驱动器49采用M325伺服驱动。