平面光栅衍射效率测试系统

于宏柱

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

0 引 言

衍射效率是衍射光栅重要光谱性能之一，人们利用“闪耀”的方法，使得衍射光栅的大部分能量集中到某一光谱级次的某一波段，其中某一波长是集光的峰值，此波长称为闪耀波长。同时，光栅衍射效率的准确测定也对光栅制造技术的提高及光栅刻划机精度分析起指导作用，因此,光栅衍射效率的测量在光栅检验工作中占有重要的地位[1-5]。

浙江大学的林中[6]、苏州大学的印建平等[7]曾先后提出过多种用于光栅衍射效率测量的方案，都可以进行光栅衍射效率的测量。但是，受限于当时电子学软硬件发展水平，无法实现待测光栅的自动装调、自动测量。现阶段，光栅的产量不断增加、光栅品种日趋多样化，在光栅检验工作中，迫切需要一种具有全自动测量功能的衍射效率测试仪器。文中在前人基础上通过三轴转台配合光斑自动调整算法设计，实现了不同规格待测光栅的三维位置自动调整功能，从而降低了操作人员的专业技术水平要求和工作强度,使该仪器兼顾了通用性和易用性[6-8]。

1 衍射效率测试仪原理及技术指标

1.1 仪器测量原理

光栅的衍射效率一般有两种定义方法：分别称为绝对衍射效率和相对衍射效率。其中，光栅的绝对衍射效率是指确定的光栅衍射级次衍射光能量与入射光能量的比值；在实际测量过程中，不容易同时得到入射光和衍射光能量的值，采用测量光栅衍射光能量值与相同入射光经过特定光路后光能量的比值，这个比值称为光栅的相对衍射效率[9]。

测试仪结构如图1所示。

图1 平面光栅衍射效率仪结构

由两套CT型光栅光谱仪组成,其中前置单色器与光源部分构成扫描单色光源，测量单色器的光栅转台安放被测光栅或者与被测光栅相同镀膜条件和尺寸的被测反射镜。测量时首先放入被测反射镜，记录被测反射镜的反射光光强信号VM(λi)，然后在相同位置放入被测光栅，测试单色器与前置单色器同步作波长扫描，记录光栅衍射光强信号VG(λi)，则被测光栅的相对衍射效率η(λi)由下式给出：

(1)

1.2 仪器主要技术指标

1)测量范围为200～1 000 nm;

2)波长通带宽度为2～5 nm;

3)测量速度大于15块光栅/h;

4)读数稳定性1%(冷开机30 min后);

5)衍射效率的重复性误差优于4%;

6)实现光栅衍射效率的连续扫描自动测试绘制光栅衍射效率曲线，同时也可进行单波长测试。

2 光路优化设计

文中根据仪器的技术指标及结构要求，对光路参数进行优化设计。仪器测量范围为200～1 000 nm，入射狭缝宽度为0.2 mm、高度为5 mm。分别使用200 nm和1 000 nm为入射波长进行光线追迹分析，取狭缝四个边缘点(2.5 mm,0.1 mm)、(2.5 mm,-0.1 mm)、(-2.5 mm,0.1 mm)、(-2.5 mm,0.1 mm)和中心点(0,0)为物面，进行光线追迹和参数优化。入射波长为200 nm的光学系统结构参数、光学结构、点列图、光线追迹结果分别如图2～图5所示。

图2 光学系统参数(200 nm)

图5 光线追迹结果(200 nm)

得出的光学系统优化设计结果如下：在像面点列图上可以清晰看出，爱里斑直径为3.6 mm；光线追迹结果显示，边缘光线在弧矢像面上的最大距离为6.89 mm，子午像面的最大距离为0.54 mm；而光电倍增管的尺寸为24 mm×8 mm，完全满足设计及使用要求。

入射波长为1 000 nm的光学系统优化设计过程如图6～图9所示。

图6 光学系统参数(1 000 nm)

图9 光线追迹结果(1 000 nm)

由图9可以得到：爱里斑直径为3.8 mm；光线追迹结果显示，边缘光线在弧矢像面上的最大距离为7.02 mm，子午像面的最大距离为2.04 mm，完全满足设计及使用要求。

3 三轴转台及自动调整算法

现有的大多数衍射效率测量设备采用相对衍射效率测量方法，在测量过程中由电机驱动或手动切换被测光栅和被测反射镜，在更换不同规格的被测光栅和被测反射镜之后，需要调整光栅(反射镜)在光路中的位置，直到光路达到测量要求，这就需要测量人员具有一定的专业知识和光谱仪器调整能力，限制了仪器的易用性。

为了实现这个目标，在仪器的光栅转座部分设计了三轴转台及自动调整算法，实现了被测光栅(反射镜)放置于仪器后自动调整和自动测量的功能，从而大大提高了测试仪的易用性[10]。

三轴转台结构示意图如图10所示。

图10 三轴转台结构示意图

该结构包括被测元件的俯仰、滚转和方位三个自由度的调整电机和位置传感器。自动调整时，根据位置传感器和光电倍增管测量的像的位置依次调整被测元件的方位角度、俯仰角度和滚转角度(被测元件为光栅时)，自动调整流程如图11所示。

图11 自动调整流程图

4 实验结果

文中所述平面光栅衍射效率测试仪如图12所示。

图12 平面光栅衍射效率测试仪

在仪器安装调试完成后，进行了光栅的实际测量，被测光栅的主要参数：光栅周期1 200 gr/mm；尺寸55 mm×55 mm；测量波长200～1 000 nm。

光栅衍射效率实测与计算曲线比较如图13所示。

图13中实线为使用Pcgrate软件根据原子力显微镜测得光栅槽型计算所得光栅效率曲线，点划线为本设备实测数据。可以看出,两条效率曲线吻合程度非常高，在闪耀波长处误差小于2%。

同时，对该仪器的重复性误差进行测试，选用常用波长253.7、365.0、404.7、435.8、546.1 nm，分别进行20次测量，重复误差3σ优于2%[11-12]，结果见表1。

图13 光栅衍射效率实测与计算曲线比较

波长/nm平均值/% 标准方差重复误差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 结 语

经过不断调整和修改，该测试仪已经达到设计指标要求,目前应用于国家光栅制造及应用工程技术中心的光栅检验部门，给光栅用户提供平面光栅衍射效率测试数据，得到用户的一致好评。