平面光柵衍射效率測試系統

于宏柱

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

0 引 言

衍射效率是衍射光柵重要光譜性能之一，人們利用“閃耀”的方法，使得衍射光柵的大部分能量集中到某一光譜級次的某一波段，其中某一波長是集光的峰值，此波長稱為閃耀波長。同時，光柵衍射效率的準確測定也對光柵制造技術的提高及光柵刻劃機精度分析起指導作用，因此,光柵衍射效率的測量在光柵檢驗工作中占有重要的地位[1-5]。

浙江大學的林中[6]、蘇州大學的印建平等[7]曾先后提出過多種用于光柵衍射效率測量的方案，都可以進行光柵衍射效率的測量。但是，受限于當時電子學軟硬件發展水平，無法實現待測光柵的自動裝調、自動測量。現階段，光柵的產量不斷增加、光柵品種日趨多樣化，在光柵檢驗工作中，迫切需要一種具有全自動測量功能的衍射效率測試儀器。文中在前人基礎上通過三軸轉臺配合光斑自動調整算法設計，實現了不同規格待測光柵的三維位置自動調整功能，從而降低了操作人員的專業技術水平要求和工作強度,使該儀器兼顧了通用性和易用性[6-8]。

1 衍射效率測試儀原理及技術指標

1.1 儀器測量原理

光柵的衍射效率一般有兩種定義方法：分別稱為絕對衍射效率和相對衍射效率。其中，光柵的絕對衍射效率是指確定的光柵衍射級次衍射光能量與入射光能量的比值；在實際測量過程中，不容易同時得到入射光和衍射光能量的值，采用測量光柵衍射光能量值與相同入射光經過特定光路后光能量的比值，這個比值稱為光柵的相對衍射效率[9]。

測試儀結構如圖1所示。

圖1 平面光柵衍射效率儀結構

由兩套CT型光柵光譜儀組成,其中前置單色器與光源部分構成掃描單色光源，測量單色器的光柵轉臺安放被測光柵或者與被測光柵相同鍍膜條件和尺寸的被測反射鏡。測量時首先放入被測反射鏡，記錄被測反射鏡的反射光光強信號VM(λi)，然后在相同位置放入被測光柵，測試單色器與前置單色器同步作波長掃描，記錄光柵衍射光強信號VG(λi)，則被測光柵的相對衍射效率η(λi)由下式給出：

(1)

1.2 儀器主要技術指標

1)測量范圍為200～1 000 nm;

2)波長通帶寬度為2～5 nm;

3)測量速度大于15塊光柵/h;

4)讀數穩定性1%(冷開機30 min后);

5)衍射效率的重復性誤差優于4%;

6)實現光柵衍射效率的連續掃描自動測試繪制光柵衍射效率曲線，同時也可進行單波長測試。

2 光路優化設計

文中根據儀器的技術指標及結構要求，對光路參數進行優化設計。儀器測量范圍為200～1 000 nm，入射狹縫寬度為0.2 mm、高度為5 mm。分別使用200 nm和1 000 nm為入射波長進行光線追跡分析，取狹縫四個邊緣點(2.5 mm,0.1 mm)、(2.5 mm,-0.1 mm)、(-2.5 mm,0.1 mm)、(-2.5 mm,0.1 mm)和中心點(0,0)為物面，進行光線追跡和參數優化。入射波長為200 nm的光學系統結構參數、光學結構、點列圖、光線追跡結果分別如圖2～圖5所示。

圖2 光學系統參數(200 nm)

圖5 光線追跡結果(200 nm)

得出的光學系統優化設計結果如下：在像面點列圖上可以清晰看出，愛里斑直徑為3.6 mm；光線追跡結果顯示，邊緣光線在弧矢像面上的最大距離為6.89 mm，子午像面的最大距離為0.54 mm；而光電倍增管的尺寸為24 mm×8 mm，完全滿足設計及使用要求。

入射波長為1 000 nm的光學系統優化設計過程如圖6～圖9所示。

圖6 光學系統參數(1 000 nm)

圖9 光線追跡結果(1 000 nm)

由圖9可以得到：愛里斑直徑為3.8 mm；光線追跡結果顯示，邊緣光線在弧矢像面上的最大距離為7.02 mm，子午像面的最大距離為2.04 mm，完全滿足設計及使用要求。

3 三軸轉臺及自動調整算法

現有的大多數衍射效率測量設備采用相對衍射效率測量方法，在測量過程中由電機驅動或手動切換被測光柵和被測反射鏡，在更換不同規格的被測光柵和被測反射鏡之后，需要調整光柵(反射鏡)在光路中的位置，直到光路達到測量要求，這就需要測量人員具有一定的專業知識和光譜儀器調整能力，限制了儀器的易用性。

為了實現這個目標，在儀器的光柵轉座部分設計了三軸轉臺及自動調整算法，實現了被測光柵(反射鏡)放置于儀器后自動調整和自動測量的功能，從而大大提高了測試儀的易用性[10]。

三軸轉臺結構示意圖如圖10所示。

圖10 三軸轉臺結構示意圖

該結構包括被測元件的俯仰、滾轉和方位三個自由度的調整電機和位置傳感器。自動調整時，根據位置傳感器和光電倍增管測量的像的位置依次調整被測元件的方位角度、俯仰角度和滾轉角度(被測元件為光柵時)，自動調整流程如圖11所示。

圖11 自動調整流程圖

4 實驗結果

文中所述平面光柵衍射效率測試儀如圖12所示。

圖12 平面光柵衍射效率測試儀

在儀器安裝調試完成后，進行了光柵的實際測量，被測光柵的主要參數：光柵周期1 200 gr/mm；尺寸55 mm×55 mm；測量波長200～1 000 nm。

光柵衍射效率實測與計算曲線比較如圖13所示。

圖13中實線為使用Pcgrate軟件根據原子力顯微鏡測得光柵槽型計算所得光柵效率曲線，點劃線為本設備實測數據。可以看出,兩條效率曲線吻合程度非常高，在閃耀波長處誤差小于2%。

同時，對該儀器的重復性誤差進行測試，選用常用波長253.7、365.0、404.7、435.8、546.1 nm，分別進行20次測量，重復誤差3σ優于2%[11-12]，結果見表1。

圖13 光柵衍射效率實測與計算曲線比較

波長/nm平均值/% 標準方差重復誤差3σ/%253.774.350.003 91.16365.042.520.003 20.97404.731.710.004 81.44435.829.000.005 11.54546.119.750.005 61.95

5 結 語

經過不斷調整和修改，該測試儀已經達到設計指標要求,目前應用于國家光柵制造及應用工程技術中心的光柵檢驗部門，給光柵用戶提供平面光柵衍射效率測試數據，得到用戶的一致好評。