一种基于体积相位全息光栅的新型单色仪的实现方法

摘要

本发明涉及一种基于体积相位全息光栅的新型单色仪的实现方法，宽带光源的光经聚焦后通过入射狭缝进入单色仪系统，经一平面镜反射改变方向后入射到一凹面镜上。入射光经过一凹面镜后转变为平行光。平行光经过一平面镜反射后入射到体积相位全息透射光栅上，不同波长的光透过光栅后被衍射到不同的方向。衍射光经一平面镜反射后，入射在一凹透镜上，经平面镜反射后聚焦在出射狭缝上。未被选择的波段落在狭缝两侧。最终的单色光经过出射狭缝后被收集以供用户使用。本发明具有更高的衍射效率，显著降低的对S和P偏振的衍射效率差异，更低的杂散光。

说明书

技术领域

本发明涉及光学工程领域，特别是一种基于体积相位全息光栅的新型单色仪的实现方法。

背景技术

单色仪是一种常用的分光仪器，适用于单色光的产生，用于光谱分析相关的应用。单色仪能输出一系列独立的，光谱区间足够窄的单色光，且所输出单色光的波长可以根据需要连续调节。通常分为棱镜单色仪和光栅单色仪。棱镜单色仪的工作光谱受到材料的限制，并且色散分辨率越高要求棱镜尺寸越大，而同分辨率的光栅单色仪光栅重量轻，制造相对容易。光栅的角色散率与波长无关，而棱镜单色仪的角色散率与波长有关。这些因素导致光栅单色仪更加受到用户的青睐。

最常见的光栅单色仪是Czerny-Turner（切尔尼-特纳，CT型单色仪，如说明书附图1）。CT单色仪由两个狭缝（A、E）、两片凹面镜（B、D）和一片平面衍射光栅（C）组成。当一束复合光绪进入单色仪的入射狭缝（A），首先由凹面经（B）汇聚成平行光，在通过衍射光栅（C）色散为分开的波长。利用每个波长离开光栅角度的不同，由另外一个凹面镜(D)再将选择的波长成像到出射狭缝（E），通过电脑控制光栅扫描可以精确的改变出射波长。通常CT单色仪配备三块不同刻线密度的光栅覆盖足够的波长范围和获得足够的分辨率。

CT单色仪中的光栅一般使用传统的平面闪耀反射光栅，通常是通过在金属平板表面刻制锯齿槽形的周期结构制作而成。当光栅刻制成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预订的方向上，即某一光谱级上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀（Blaze），所以这种光栅称为闪耀光栅。这样刻制成的闪耀光栅中，其衍射作用的槽面是一个光滑的屏面，它与光栅的表面的夹角，称为闪耀角（BlazeAngle）。最大光强度所对应的波长，称为闪耀波长（BlazeWavelength）。

体积相位全息透射光栅（VolumePhaseHolographicTransmissionGrating）是一种新型光栅，因其具有较高的衍射效率，近些年来得到了广泛的应用。其制作工艺相对简单，广泛采用的方法是在光学玻璃下涂胶状感光聚合物材料，然后采用两束相干的平面波或者球面波以一定的角度照射在记录材料上，记录材料记录下干涉条纹，经显影处理后在光栅的记录材料上形成与干涉条纹明暗强弱对应的周期性的折射率分布，经过封装就得到了体积相位全息透射光栅。以上两种光栅的不同之处如说明书附图2所示。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于体积相位全息光栅的新型单色仪的实现方法，具有更高的衍射效率，显著降低的对S和P偏振的衍射效率差异，更低的杂散光。

本发明采用以下方案实现：一种基于体积相位全息光栅的新型单色仪的实现方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供宽带光源、入射狭缝、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜、第一凹面镜、第二凹面镜、体积相位全息透射光栅以及出射狭缝；

步骤S2：将所述宽带光源发出的入射光聚焦后通过所述入射狭缝，所述入射光经过所述第一平面镜反射改变方向后入射到所述第一凹面镜，所述入射光经过所述凹面镜后转变为平行光；

步骤S3：步骤S2中的所述平行光经过所述第二平面镜反射后入射到所述体积相位全息透射光栅上，不同波长的平行光透过所述体积相位全息透射光栅后被衍射到不同的方向得到多个方向的衍射光，选择与所述入射光相对于体积相位全息透射光栅呈镜面对称的方向的衍射光，也就是入射角等于衍射角（如图3所示）；

步骤S4：步骤S3选择的衍射光经第三平面镜反射后，入射在第二凹面镜上并反射至所述第四平面镜上，所述第四平面镜将该衍射光反射后聚焦在所述出射狭缝上。未被选择的波段落在狭缝两侧。

最终的单色光经过出射狭缝后被收集以供用户使用。

进一步地，所述第一凹面镜的焦距等于从所述入射狭缝到所述第一平面镜的中心再到所述第一凹面镜的镜面中心之和。

进一步地，所述第二平面镜和第三平面镜各自固定在一个旋转平台上，两个旋转平台由一连杆相连，所述连杆固定在一个线性移动平台上，固定端在第一线性移动平台上移动过程中带动所述第二平面镜、第三平面镜旋转，并旋转同样角度，用以使得衍射时入射角等于衍射角。

进一步地，所述体积相位全息透射光栅包括三块体积相位全息透射光栅，线密度分别为300、600、1200线/毫米，分别用于1600-2400纳米、800-1600纳米和400-800纳米波段的光学衍射；三块体积相位全息透射光栅均被固定在第二线性移动平台上，根据要输出的波长，控制移动特定的光栅进入单色仪光路中。

进一步地，包括一计算机，所述计算机与所述第一线性移动平台、所述第二线性移动平台电性相连，用以控制所述第一线性移动平台、第二线性移动平台。

较佳地，体积相位全息透射光栅两侧的光学元件，相对于光栅并未呈镜面对称的方式放置。如图3的放置方式，使得第一凹面镜和第二凹面镜产生的球形散光（SphericalAstigmatism）和慧差（Coma）有效相互抵消，从而在出射狭缝出获得更小的光斑，提高分辨率。

特别的，单色仪控制系统包括两个线性平台的控制器、一台电脑和它们之间的连接线。相关机械部件包括两个狭缝，两个线性移动平台，两个旋转平台，连杆机构，和单色仪底座及外壳。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、更高的衍射效率。体积相位全息透射光栅具有更高的衍射效率，在设计的闪耀波长（BlazeWavelength）处，效率可以达到90%以上。同时系统根据波长，改变入射角，始终满足布拉格条件（BraggCondition，也就是sina=sinb，a为入射角，b为衍射角。），所以单色仪系统不仅在闪耀波长有很高的衍射效率，在其他波段，衍射效率也显著提高。作为对比，CT单色仪的中的入射角是固定的，只在闪耀波长具有较高的衍射效率。

2、显著降低的对S和P偏振的衍射效率差异。平面闪耀反射光栅对S偏振和P偏振的入射光，衍射效率有极大的差异，导致自然光进入单色仪后变成局部偏振光；而体积相位全息透射光栅对S偏振和P偏振的衍射效率差异很小。

3、更低的杂散光。平面闪耀反射光栅的表面是锯齿状的沟槽结构，对入射光有很大的散射和零级反射，导致出射狭缝处收集到较多的杂散光；而体积相位全息透射光栅表面是平滑玻璃保护层，表面镀有增透膜，产生较少的零级反射和散射，有效降低杂散光，提高单色仪的单色性。

附图说明

图1为传统的Czerny-Turner单色仪示意图。

图2为平面闪耀反射光栅和体积相位全息透射光栅的结构和衍射方式对比示意图。

图3为本发明的基于体积相位全息透射光栅的单色仪示意图。

[主要组件符号说明]

图中：1为入射狭缝，2为第一平面镜，3为第一凹面镜，4为第二平面镜，5为体积相位全息透射光栅，6为第三平面镜，7为第二凹面镜，8为第四平面镜，9为出射狭缝。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图3所示，本实施例提供了一种基于体积相位全息光栅的新型单色仪的实现方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供宽带光源、入射狭缝1、第一平面镜2、第二平面镜4、第三平面镜6、第四平面镜8、第一凹面镜3、第二凹面镜7、体积相位全息透射光栅5以及出射狭缝9；

步骤S2：将所述宽带光源发出的入射光聚焦后通过所述入射狭缝1，所述入射光经过所述第一平面镜2反射改变方向后入射到所述第一凹面镜3，所述入射光经过所述凹面镜3后转变为平行光；

步骤S3：步骤S2中的所述平行光经过所述第二平面镜4反射后入射到所述体积相位全息透射光栅5上，不同波长的平行光透过所述体积相位全息透射光栅5后被衍射到不同的方向得到多个方向的衍射光，选择与所述入射光相对于体积相位全息透射光栅呈镜面对称的方向的衍射光，也就是入射角等于衍射角（如图3所示）；

步骤S4：步骤S3选择的衍射光经第三平面镜6反射后，入射在第二凹面镜7上并反射至所述第四平面镜8上，所述第四平面镜8将该衍射光反射后聚焦在所述出射狭缝9上。未被选择的波段落在狭缝两侧。

最终的单色光经过出射狭缝后被收集以供用户使用。

在本实施例中，所述第一凹面镜3的焦距等于从所述入射狭缝1到所述第一平面镜2的中心再到所述第一凹面镜3的镜面中心之和。

在本实施例中，所述第二平面镜4和第三平面镜6各自固定在一个旋转平台上，两个旋转平台由一连杆相连，所述连杆固定在一个线性移动平台上，固定端在第一线性移动平台上移动过程中带动所述第二平面镜4、第三平面镜6旋转，并旋转同样角度，用以使得衍射时入射角等于衍射角。

在本实施例中，所述体积相位全息透射光栅5包括三块体积相位全息透射光栅，线密度分别为300、600、1200线/毫米，分别用于1600-2400纳米、800-1600纳米和400-800纳米波段的光学衍射；三块体积相位全息透射光栅均被固定在第二线性移动平台上，根据要输出的波长，控制移动特定的光栅进入单色仪光路中。

在本实施例中，包括一计算机，所述计算机与所述第一线性移动平台、所述第二线性移动平台电性相连，用以控制所述第一线性移动平台、第二线性移动平台。

较佳地，在本实施例中，体积相位全息透射光栅两侧的光学元件，相对于光栅并未呈镜面对称的方式放置。如图3的放置方式，使得第一凹面镜和第二凹面镜产生的球形散光（SphericalAstigmatism）和慧差（Coma）有效相互抵消，从而在出射狭缝出获得更小的光斑，提高分辨率。

特别的，在本实施例中，单色仪控制系统包括两个线性平台的控制器、一台电脑和它们之间的连接线。相关机械部件包括两个狭缝，两个线性移动平台，两个旋转平台，连杆机构，和单色仪底座及外壳。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。