本實(shí)用新型涉及一種反射式衍射光柵周期測量裝置。

背景技術(shù)：

衍射光柵是一種分光元件，也是光譜儀器的核心元件。1960年代以前，全息光柵、刻劃光柵等作為色散元件廣泛用于攝譜儀光譜分析，是分析物質(zhì)成分、探索宇宙奧秘、開發(fā)大自然的必用儀器，極大地推動(dòng)了包括物理學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等科學(xué)的全面發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用早已不局限于光譜學(xué)領(lǐng)域，在計(jì)量學(xué)、天文學(xué)、集成光學(xué)、光通信、原子能等方面已被廣泛應(yīng)用。特別是反射式的衍射光柵在科研和技術(shù)等諸多領(lǐng)域成為無可替代的極及其重要的工具。例如，衍射光柵應(yīng)用于集成光學(xué)、光學(xué)全息、光譜分析、模糊處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、相關(guān)存儲(chǔ)、光束耦合、光束擴(kuò)束、光束偏轉(zhuǎn)、光束取樣、光束分光、光學(xué)邏輯、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、光學(xué)測試、模式轉(zhuǎn)換、位相共軛、脈沖整形與壓縮、調(diào)Q、鎖模、信號處理、太陽能聚焦、空間光調(diào)制、光學(xué)開關(guān)、診斷測量、圖像識(shí)別等等，同時(shí)光柵還不斷在新領(lǐng)域得到應(yīng)用。

反射式衍射光柵對入射光產(chǎn)生色散的主要原理是多光束干涉，如圖1所示。設(shè)平行光束以入射角α斜入射到刻線周期為d的反射光柵上，并且所考察的衍射光與入射光分別處于光柵法線的兩側(cè)或者同側(cè)。當(dāng)光束到達(dá)光柵時(shí)，兩支相鄰光束的光程差為Δ＝dsinα±dsinβ。

目前，測量衍射光柵的周期(刻線密度)有很多方法，例如通過顯微鏡直接測量、通過測量衍射角度計(jì)算等。但均沒有專用的針對光柵的周期進(jìn)行測量的測量裝置，因此，測試步驟復(fù)雜，測量速度慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷提供了一種反射式衍射光柵周期測量裝置。

本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種反射式衍射光柵周期測量裝置，包括底板、設(shè)置于所述底板上的主支架、測量屏、一維位移平臺(tái)、光柵臺(tái)、光源發(fā)生裝置以及光源調(diào)整架；

所述測量屏固定連接于所述一維位移平臺(tái)上，所述測量屏上設(shè)置有光柵周期刻度線；

所述一維位移平臺(tái)設(shè)置于底板上并調(diào)節(jié)所述測量屏的光柵周期測量數(shù)值；

所述光柵臺(tái)上放置有衍射光柵，所述光柵臺(tái)與主支架旋轉(zhuǎn)連接；

所述光源調(diào)整架設(shè)置于所述光柵臺(tái)的上方

且與所述主支架連接；

所述光源發(fā)生裝置設(shè)置于所述光源調(diào)整架上。

進(jìn)一步地，所述測量屏為向外凸出的圓弧形測量屏，所述衍射光或反射光投射至圓弧形測量屏的內(nèi)側(cè)，所述圓弧形測量屏的一端連接于主支架上，所述圓弧形測量屏的另一端延伸至所述光源發(fā)生裝置或所述光源調(diào)整架的下方、并通過水平支板固定連接于所述位移平臺(tái)上，所述水平支板與所述圓弧形測量屏的端部固定連接。

進(jìn)一步地，所述光源發(fā)生裝置或所述光源調(diào)整架下方的所述圓弧形測量屏上設(shè)有光源校準(zhǔn)線，該光源校準(zhǔn)線保證由所述光源發(fā)生裝置發(fā)出的光源為豎直向下。

進(jìn)一步地，所述光柵臺(tái)上設(shè)有校準(zhǔn)孔，所述校準(zhǔn)孔設(shè)置于所述光源發(fā)生裝置的正下方，所述光源發(fā)生裝置發(fā)出的豎直向下的光恰好能夠通過所述校準(zhǔn)孔。

進(jìn)一步地，所述光源發(fā)生裝置為激光筆，簡單、容易購買、價(jià)格實(shí)惠。

進(jìn)一步地，所述測量屏上的光柵周期刻度線中包括一個(gè)零級對準(zhǔn)點(diǎn)刻度線和多個(gè)周期值刻度線；零級對準(zhǔn)點(diǎn)用來標(biāo)定衍射光柵的放置角度。

進(jìn)一步地，所述測量屏為采用半透明塑料制成的測量屏。

進(jìn)一步地，所述光柵臺(tái)通過光柵臺(tái)調(diào)整架與所述主支架連接，所述光柵臺(tái)調(diào)整架與所述主支架活動(dòng)連接，所述光柵臺(tái)調(diào)整架可相對于主支架旋轉(zhuǎn)或伸長縮短等，便于靈活調(diào)整光柵臺(tái)。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型提供了一種反射式衍射光柵周期測量裝置，其可對入射到光柵上的特定波長、特定入射角度的激光角度進(jìn)行光柵周期的測量，測量方法簡單，測量速度快、操作簡單，測量周期廣，可多檔位測量，增大增量量程，并且測量精度高，且精度可通過刻線密度進(jìn)行調(diào)整，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的光束斜入射到反射光柵上發(fā)生衍射的原理示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的衍射光柵周期的測量裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的衍射光柵周期的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的入射角度α＝15度時(shí)光柵周期與β的對應(yīng)關(guān)系示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的入射角度α＝30度時(shí)光柵周期與β的對應(yīng)關(guān)系示意圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的入射角度α＝45度時(shí)光柵周期與β的對應(yīng)關(guān)系示意圖；

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的入射角度α＝60度時(shí)光柵周期與β的對應(yīng)關(guān)系示意圖；

圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的入射角度α＝75度時(shí)光柵周期與β的對應(yīng)關(guān)系示意圖；

圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的入射角度α＝30度檔的刻度線坐標(biāo)。

圖中：

1、底板；2、主支架；3、圓弧形測量屏；4、一維位移平臺(tái)；5、光源調(diào)整架；6、光源發(fā)生裝置；7、衍射光柵；8、光柵臺(tái)；9、光柵臺(tái)調(diào)整架；10、水平支板；11、光源校準(zhǔn)線。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實(shí)用新型實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。因此，以下對在附圖中提供的本實(shí)用新型的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本實(shí)用新型的范圍，而是僅僅表示本實(shí)用新型的選定實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，術(shù)語“前”、“后”、“上端面”、“豎直”、“水平”、等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實(shí)用新型的限制。

實(shí)施例1

如圖2～3所示，本實(shí)用新型實(shí)施例所述的一種反射式衍射光柵周期測量裝置，包括底板1、設(shè)置于底板1上的主支架2、圓弧形測量屏3、一維位移平臺(tái)4、光柵臺(tái)8、光源發(fā)生裝置6以及光源調(diào)整架5；

圓弧形測量屏3連接于一維位移平臺(tái)4的上端面，且該圓弧形測量屏3能夠隨著一維位移平臺(tái)4的移動(dòng)而移動(dòng)，因此可通過調(diào)節(jié)一維位移平臺(tái)4來調(diào)節(jié)圓弧形測量屏3；圓弧形測量屏3上設(shè)有一縱向排列的光柵周期刻度線(即周期數(shù)值)，即只有一個(gè)測量檔位，其是在某一入射角度下的周期數(shù)值，如圖9所示的是入射角度α＝30度下的刻度坐標(biāo)(部分刻度的周期數(shù)值沒有標(biāo)出，但不影響整體技術(shù)方案的理解)。

圓弧形測量屏3為向外凸出的圓弧形測量屏3，由衍射光柵7發(fā)出的衍射光或反射光投射至圓弧形測量屏3的內(nèi)側(cè)，圓弧形測量屏3的一端連接于主支架2上，圓弧形測量屏3的另一端延伸至光源發(fā)生裝置6或光源調(diào)整架5的下方、并通過水平支板10固定連接于一維位移平臺(tái)4上，水平支板10與圓弧形測量屏3的端部固定連接。

圓弧形測量屏3可采用半透明塑料制作，從而利于進(jìn)行刻度讀取。

一維位移平臺(tái)4設(shè)置于底板1上，且一維位移平臺(tái)4能夠通過在水平方向前后移動(dòng)來調(diào)節(jié)設(shè)置于該一維位移平臺(tái)4上端面的圓弧形測量屏3，由于本實(shí)施例的圓弧形測量屏3上只有一個(gè)測量檔位，則使用時(shí)只需要調(diào)整一維位移平臺(tái)4使反射光點(diǎn)恰好于圓弧形測量屏3上所刻或所標(biāo)定的周期數(shù)值上便可。

光柵臺(tái)8用于放置并固定衍射光柵7，光柵臺(tái)8通過光柵臺(tái)8調(diào)整架與主支架2活動(dòng)連接，則光柵臺(tái)8可通過光柵臺(tái)調(diào)整架9與主支架2連接，則光柵臺(tái)調(diào)整架9可相對于主支架2旋轉(zhuǎn)或伸長縮短等靈活調(diào)整，則通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整光柵臺(tái)調(diào)整架9來調(diào)節(jié)光柵臺(tái)8上的衍射光柵7，從而可調(diào)節(jié)投射至衍射光柵7上的入射光的入射角；

光柵臺(tái)8的中心位置處設(shè)有校準(zhǔn)孔，校準(zhǔn)孔設(shè)置于光源發(fā)生裝置6的正下方，所述光源發(fā)生裝置6發(fā)出的豎直向下的光恰好能夠通過所述校準(zhǔn)孔。

光源調(diào)整架5設(shè)置于光柵臺(tái)8的上方，且與主支架2活動(dòng)連接，則通過光源調(diào)整架5的調(diào)節(jié)來調(diào)整光源的方向使出射光豎直向下；

光源調(diào)整架5或光源發(fā)生裝置6的下方的圓弧形測量屏3上設(shè)有光源校準(zhǔn)線11，該光源校準(zhǔn)線11保證由光源發(fā)生裝置6發(fā)出的光源為豎直向下的光。

光源發(fā)生裝置6采用波長為633nm的紅色激光筆，激光筆簡單、容易購買、價(jià)格實(shí)惠，將激光筆固定于光源調(diào)整架5上，并通過旋轉(zhuǎn)光源調(diào)整架5來調(diào)整激光筆，在未放置衍射光柵7時(shí)，使激光筆出射的激光通過光柵臺(tái)8中心處的校準(zhǔn)孔，并與圓弧形測量屏3上的光源校準(zhǔn)線11重合，以保證激光筆為豎直方向，從而保證激光豎直向下。

光柵周期測量數(shù)值的測量范圍為：0.32μm～2.45μm。

圓弧形測量屏3上的周期數(shù)值的精度可以根據(jù)刻度密度來調(diào)整，刻度越密集，則測量精度越高，反之亦然。

實(shí)施例2

實(shí)施例1中的圓弧形測量屏3上設(shè)有當(dāng)個(gè)測量檔位，即圓弧形測量屏3設(shè)有縱向排列的光柵周期刻度線(即周期數(shù)值)，并按不同的入射角度橫向排列多個(gè)測量檔位，通過一維位移平臺(tái)4調(diào)整所要對準(zhǔn)的檔位，從而具有多檔測量的效果，即根據(jù)入射光投射至衍射光柵7上的入射角的不同，圓弧形測量屏3上并排設(shè)置有多檔光柵周期測量數(shù)值，不同檔位的光柵周期測量數(shù)值的量程不同，采用多檔位測量，能夠增加光柵周期的測量范圍。如圖4和圖8所示，在入射角度α＝15度下，最大測量周期為2.45μm；在入射角度α＝75度下最小測量周期為0.32μm，因此本裝置的測量范圍可以為0.32μm-2.45μm，按照每檔刻度個(gè)數(shù)為100個(gè)計(jì)算，α＝15度檔測量精度為0.02μm，可根據(jù)需要進(jìn)行更密刻度制作以進(jìn)一步提高測量精度；如圖9所示的是入射角度α＝30度下的刻度坐標(biāo)(部分刻度的周期數(shù)值沒有標(biāo)出，但不影響整體技術(shù)方案的理解)。

上述圓弧形測量屏3上的光柵周期測量數(shù)值的多檔測量可以為5檔，分別為入射角度α為15度、30度、45度、60度以及75度時(shí)的五縱列五個(gè)檔位，當(dāng)然，也可以根據(jù)需求，調(diào)節(jié)測量檔位的數(shù)量。

實(shí)施例3

一種采用實(shí)施例1的衍射光柵周期測量裝置進(jìn)行光柵周期的測量方法，包括以下步驟：

S1：光源的校準(zhǔn)：光源發(fā)生裝置6仍然采用波長為633nm的紅色激光筆，將激光筆固定于光源調(diào)整架5上，在進(jìn)行測量前，首先打開激光筆電源使其出射激光，調(diào)整光源調(diào)整架5，使激光筆出射的激光通過光柵臺(tái)8中心處的校準(zhǔn)孔，并與圓弧形測量屏3上的的光源校準(zhǔn)線11重合，保證激光筆稱豎直方向，從而保證激光豎直向下，完成測量前的較調(diào)。

S2：衍射光柵7的粗調(diào)：將待測衍射光柵7固定設(shè)置于光柵臺(tái)8上，調(diào)整光柵臺(tái)8使光柵反射光點(diǎn)照射于測量屏上；

S3：衍射光柵7的校準(zhǔn)：圓弧形測量屏3上有縱向排列的光柵周期數(shù)值，并按不同的入射角進(jìn)行橫向排列形成多檔位測量，移動(dòng)一維位移平臺(tái)4使光柵反射光點(diǎn)投射于圓弧形測量屏3上的所要選擇的光柵周期檔位上，不同檔位的光柵周期測量數(shù)值的測量范圍不同，調(diào)整檔位能夠提高測量精度；然后旋轉(zhuǎn)光柵臺(tái)8使衍射光柵7發(fā)出的零級衍射光對準(zhǔn)測量屏上光柵周期測量數(shù)值中的零級對準(zhǔn)點(diǎn)；零級對準(zhǔn)點(diǎn)指的是若將光柵看作鏡面時(shí)的反射點(diǎn)，可以通過這個(gè)點(diǎn)標(biāo)定光柵的角度；

S4：讀取周期數(shù)值：完成步驟S3中的操作后，則一級衍射光投射至圓弧形測量屏3上的對應(yīng)刻度即為待測衍射光柵7的光柵周期，直接讀取便可。圖9所示，圖9是入射角度α＝30度下的刻度坐標(biāo)，當(dāng)衍射光柵7的零級衍射光對準(zhǔn)零級對準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，光柵入射角度α＝30度，讀出一級衍射光對應(yīng)的刻度，如圖9中β＝45度，周期為0.664μm。

對于上述的測量方法，如衍射角度過大或過小，可以采用一維位移平臺(tái)4調(diào)整圓弧形測量屏3上的測量檔位以提高測量精度。

對于上述步驟S3，圓弧形測量屏3上可根據(jù)需要只設(shè)置一個(gè)光柵周期測量檔位，即在某個(gè)入射角度下的周期刻度，則使用時(shí)只需要調(diào)整一維位移平臺(tái)4使反射光的光電恰好于圓弧形測量屏3上所刻或所標(biāo)定的周期數(shù)值上便可。只有一個(gè)檔位，則量程不可調(diào)。

本實(shí)施例也可采用實(shí)施例2中的衍射光柵周期測量裝置來進(jìn)行光柵周期的測量。

實(shí)施例4

如圖3～9所示，一種在實(shí)施例1中的測量裝置上標(biāo)定衍射光柵7周期的方法，該方法為：

①根據(jù)光柵方程對光柵周期數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定；

光柵方程為：dsinα±dsinβ＝mλ(m＝0，±1，±2…)，其中，d為光柵周期，α為入射角度，β為衍射角度，m為衍射級數(shù)，λ為波長；當(dāng)入射光與衍射光于同一側(cè)時(shí)，光柵方程取正號；當(dāng)入射光與衍射光于法線的兩側(cè)時(shí)，光柵方程取負(fù)號；

當(dāng)衍射級數(shù)確定時(shí)，根據(jù)光柵方程可計(jì)算出在不同入射角度α下，衍射角度β對應(yīng)的周期的大小。圖4-圖8是根據(jù)光柵方程計(jì)算的α＝15度、30度、45度、60度、75度下的周期與衍射角度β的關(guān)系；根據(jù)此關(guān)系在圓弧形測量屏3上制作出對應(yīng)的周期刻度值，在一個(gè)入射角度下所標(biāo)定的一縱列周期數(shù)值為一個(gè)測量檔位，圖4-圖8中的五個(gè)入射角度(即15度、30度、45度、60度、75度)可形成5個(gè)測量檔位。圖9所示，圖9是入射角度α＝30度下的刻度坐標(biāo)，當(dāng)衍射光柵7的零級衍射光對準(zhǔn)零級對準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，入射角度α＝30度，衍射角度β＝45度時(shí)，一級衍射光下周期為0.664μm，則在對應(yīng)的位置標(biāo)定0.664μm。

與上述方法相同步驟進(jìn)行刻度制作，并在圓弧形測量屏3上縱向排列，通過位移平臺(tái)進(jìn)行縱向移動(dòng)，即可形成多檔(不同α角度)測量，提高測量精度的同時(shí)拓寬了測量范圍。如在α＝15度下，最大測量周期為2.45μm；在α＝75度下最小測量周期為0.32μm，因此本裝置的測量范圍可以為0.32μm-2.45μm(約等于刻線密度400/mm-3000/mm)。

按照每檔刻度個(gè)數(shù)為100個(gè)計(jì)算，α＝15度檔測量精度為0.02μm，可根據(jù)需要進(jìn)行更密刻度制作以進(jìn)一步提高測量精度。

②采用衍射光柵7周期測量裝置標(biāo)定零級對準(zhǔn)點(diǎn)：在入射角度30度下，將光柵看作鏡面時(shí)的反射點(diǎn)即為零級對準(zhǔn)點(diǎn)，則該零級對準(zhǔn)點(diǎn)即為在入射角度α為30度檔位中的零級對準(zhǔn)點(diǎn)；再根據(jù)該方法，標(biāo)定入射角度α為15度、45度、60度以及75度下的零級對準(zhǔn)點(diǎn)；

需要說明的是，根據(jù)上述標(biāo)定方法，可根據(jù)實(shí)際需要，選擇在測量屏上只標(biāo)定一個(gè)檔位的光柵周期數(shù)值(即在一個(gè)入射角度下)，也可以標(biāo)定兩個(gè)、三個(gè)、5個(gè)或更多的測量檔位(即在不同的入射角度下)。

本實(shí)施例4中，也可在實(shí)施例1中的測量裝置上標(biāo)定衍射光柵周期。

具體實(shí)施時(shí)，本實(shí)用新型采用可見光波長激光筆作為發(fā)射源(例如633nm紅光)，以已知的固定角度入射至反射式衍射光柵7。衍射光柵7將入射激光衍射至特定角度，投射到圓弧形的測量屏。測量屏根據(jù)衍射光柵方程預(yù)先標(biāo)記有對應(yīng)周期刻度，根據(jù)m＝1的一級衍射光點(diǎn)在測量屏上的光點(diǎn)對應(yīng)的刻度，直接讀出光柵刻線周期。本實(shí)用新型主要采用m＝1的一級衍射光點(diǎn)進(jìn)行測量，因?yàn)橐患壯苌潼c(diǎn)通常比較強(qiáng)，因此便于測量。

還需要說明的是，本裝置本身能夠調(diào)節(jié)衍射級數(shù)，而調(diào)節(jié)衍射級數(shù)，如零級衍射光、一級衍射光等均屬于本領(lǐng)域公知常識(shí)。衍射光柵本身對不同級數(shù)光衍射角度不同，零級衍射光即是將光柵看做平面反射鏡反射的光，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵即可轉(zhuǎn)動(dòng)此光束。

最后應(yīng)說明的是：以上所述的各實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。