基于傅里叶光学原理的新型凹面光栅衍射效率测量方法

凹面衍射光栅兼具色散分光与光束聚焦功能,同时具有像差校正、低杂散光、无鬼线和高信噪比等优势而受到光谱仪器领域的广泛关注。衍射效率作为凹面光栅最重要的技术指标之一,其测量技术水平逐渐成为光谱仪器行业最为关注的课题之一。传统方法一般采用双单色仪结构实现凹面光栅衍射效率的测量,该方法主要存在两方面问题,一是测量标准反射镜和待测光栅的出射光谱带宽不同,二是光栅叠级、杂散光的影响;上述问题的存在降低了高性能凹面光栅衍射效率测量的准确性。本文提出了一种基于傅里叶光学原理测量凹面光栅衍射效率的新方法;针对该方法建立了凹面光栅衍射效率测量的数学模型,并采用光学追迹和傅里叶光学方法相结合对其进行了仿真分析,从而验证了该方法的正确性;针对动镜横移误差、倾斜误差、光源稳定性、动镜运动距离误差等因素影响凹面光栅衍射效率测量精度的问题,提出引入辅助探测器的方法来进一步提高衍射效率测量精度,并对有无辅助探测器情况下的上述误差对衍射效率的影响进行了数学推导和仿真分析,分析结果表明引入辅助探测器可以有效抑制了上述误差对凹面光栅衍射效率测量的影响。对比传统双单色仪测量方法而言,该方法不仅能够解决传统测量方法存在的问题,同时还具有多波长同时测量、高光通量、高分辨率、高波数精度等优势,可以有效提高凹面光栅衍射效率的测量精度和测量效率。     

凹面光栅衍射效率的研究进展

凹面光栅因同时具有聚焦和色散功能而广泛应用于各类紫外、可见和红外波段的光谱分析仪器中,尤其是平场凹面光栅可以结合线阵或面阵探测器来实现即时分析。凹面光栅衍射效率的高低直接影响光谱仪器的信噪比和信号采集,其相关研究也逐渐为人们所关注。介绍了凹面光栅衍射效率的研究进展,比较了由机械刻划法和全息法制作的凹面光栅在掠入射下衍射效率的差别,分析了现有计算衍射效率方法的优缺点,并且对凹面光栅衍射效率的研究趋势做了简要预测,提出了需要同时在凹面光栅的主截面和非主截面内考虑光束对其衍射效率的影响。     

平面光栅效率仪测量过程分析与结果修正

为了获得准确的平面光栅衍射效率测量结果,需要对平面光栅效率仪的测量过程进行分析.通过对测量过程中影响测量结果的光栅出射光谱增宽和衍射光束截面变化等主要因素进行分析,给出了两者关于入射波长和光栅刻线密度的关系式.运用多元线性回归分析的数学方法,在大量实验数据的基础上,建立了回归修正公式,分别从理论和实验上验证了修正公式的...     

计算凹面闪耀光栅衍射效率的通用方法

为使凹面光栅的衍射能量更多地集中在所需要的级次上,提出了利用机械刻划的方法在凹面基底上制作变刻槽角度的凹面闪耀光栅,并利用菲涅耳-基尔霍夫衍射公式推导了同时在主截面和非主截面内计算凹面闪耀光栅衍射效率的理论方法,弥补了以往只在主截面内考虑衍射效率的不足,最后利用Matlab仿真软件模拟了衍射效率随波长的变化曲线,并对比了在不同制作和使用参数下衍射效率峰值的变化规律,为今后凹面光栅的设计和制作提供了参考价值。     

基于槽形函数拟合的刻划光栅衍射特性分析方法

作为对光栅刻划工艺的理论指导，提出了一种基于槽形函数拟合的机械刻划光栅衍射特性分析方法，解决了高刻线密度光栅衍射效率测量值与理论值偏差较大的问题.以刻线密度为1200l/mm的紫外光栅为例，对光栅主截面上的实际槽形纵横坐标扫描取值，进而拟合出槽形函数，经理论计算找到了导致衍射效率偏低的原因，并通过改进工艺，使光栅衍射效率提高了约20%. 关键词： 刻划光栅 槽形函数拟合 衍射特性 分析方法     

光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一,其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅,便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量,文章提出一种全息凸面光刻胶光栅的消像差设计方法,优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将“光程函数级数展开法”和ZEMAX光学设计软件相结合,采用粗精两步优化的方法,显著提高了优化的效率和成功率。ZEMAX对比仿真结果显示,复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。     

平场全息凹面光栅制作结构与使用结构之间误差补偿作用的数值模拟与实验验证

通过对优化计算出的平场全息凹面光栅制作结构(曝光记录结构)和使用结构(光谱仪分光结构)之间各个参数进行联合数值模拟,得出如下结论：在优化设计参数值附近一个较大范围的误差区域内,平场全息凹面光栅的制作结构参数误 差和使用结构参数误差可以相互补偿,最终补偿的结果可以使光谱成像质量达到与原设计结构相当的水平,满足光谱仪器的使用要求。文章给出了数值模拟结果以及与其相符的实验验证结果。此补偿作用有利于降低平场全息凹面光栅制作 中各个参数精度的调节难度,并且可以对实际使用过程中光谱仪器的设计和装调进行理论上的指导。     

基于正交散焦光栅的1064 nm脉冲激光M~2因子测量

传统光束质量测量装置不能有效测量脉冲激光的M~2因子。为实时检测脉冲激光M~2因子,将正交散焦光栅和短焦透镜密接配合使用,同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布,用二阶矩方法计算束宽,并经双曲线拟合得到被测光束的~2因子。根据高斯光束的薄透镜变换理论,分析了被测光束束腰宽度和束腰位置变化对测量精度的影响,得到了正交散焦光栅M~2因子测量系统对测量参数要求低、动态工作范围大等结论。实验测量了1064 nm Nd:YAG固体脉冲激光器单个脉冲的M~2因子、脉冲之间的M~2因子变化和光束M~2因子随电压的整体变化情况。结果表明此系统实现了对脉冲激光M~2因子的测量,并能实时检测激光工作过程中的M~2因子变化。     

利用光栅的衍射光强测量液体折射率

介绍了一种利用光栅的一级衍射光斑光强测量待测液体折射率的方法,简称光栅光强法。阐明了光栅光强法测量液体折射率的实验原理,组建实验装置,测量了水-丙三醇、蛋白-pH10缓冲液两种混合液体的折射率和光栅衍射光强的关系曲线,测量得到的无水乙醇的折射率与理论值的相对误差小,具有实验装置易于搭建、操作简单的特点,在实验教学研究等领域具有一定的研究和应用价值。     

光栅衍射法测量微透镜列阵焦距时产生的光斑干扰分析

基于光栅衍射的转角法无需转动光管,与传统的转角法相比具有较高的测量效率.而微透镜阵列元件子单元数众多,利用该方法进行测量时,光栅的各级衍射斑可能发生干扰,影响测量精度甚至无法进行测量.利用Matlab软件模拟分析测量过程中子单元光栅0级和±1级衍射光斑间的干扰,通过分析测量光源波长、光栅周期、微透镜阵列的子孔径和焦距,...     

标准线性固体材料中球面应力波传播特征研究

基于标准线性固体模型, 结合球面波波动方程, 给出了球面应力波的粒子速度v、粒子位移u、径向应力σ_r、切向应力σ_θ、径向应变ε_r、切向应变ε_θ、折合速度势、折合位移势在Laplace域的理论解. 采用基于Crump算法的Laplace数值逆变换方法分析了上述物理量的传播特征. Laplace数值反演结果表明, 线黏弹性材料对强间断球面应力波的初始响应为纯弹性响应, 强间断在传播过程中包含了几何衰减和本构黏性衰减, 应力、应变、粒子速度的衰减特性和粒子位移、应力、应变、折合位移势等物理量的稳态值同黏弹性球面波的理论预测一致. 折合速度势和折合位移势的峰值随波传播距离的增加逐渐衰减, 这与理想弹性理论给出的折合速度势和折合位移势不随传播距离变化的结论不同. 折合位移势的稳态值与介质的静态剪切模量成反比, 与稳态空腔压力成正比, 与空腔半径的三次方成正比.     

Positive and negative feedback effects of four-wave mixing in photorefractive crystals with two active centres

Based on a two-level model of optical transitions, the problem of positive and negative feedback effects during simultaneous reading and writing of dynamic holograms in photorefractive crystals has been solved analytically. The diffraction efficiency and the gain coefficient are shown to be nonlinear functions of the readout beam intensity and are nonreciprocal with respect to the readout from the two input ports. The readout beam intensity value that affects a previously recorded grating is shown to depend on microscopic parameters such as the cross-section of photoionization, the recombination coefficient and the concentration of photorefractive centres. An analysis of the amplitude of the overall shared grating has shown that with increasing readout beam intensity the holographic grating thickness decreases. In this case, under negative feedback the grating amplitude decreases, while with positive feedback it increases. The possibility is shown of achieving (under positive feedback) a maximum value of diffraction efficiency and complete energy transfer in a finite thickness of the photorefractive crystal, in contrast to the infinite thickness required in the standard two-beam coupling case.     

基于光谱合束技术的透射光栅模拟设计

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出,已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计,运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定,同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能,衍射效率达到91.2%(TE模式),同时压缩其他衍射级次,使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率,实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率,易于调节,满足光谱合束技术的要求。     

Polarization holographic gratings in an azobenzene side-chain liquid-crystalline polymer

Polarization holographic recording was investigated in a liquid-crystalline azobenzene side-chain polymer. A highly stable polarization holographic grating with the diffraction efficiency of 12.6% was written in the polymer film by two orthogonally linearly polarized 532 nm beams with equal intensities of 150 mW/cm². The polarization grating was studied with a 633 nm probe beam by surveying the conversion of the polarization state of the probe beam and measuring the dependence of diffraction efficiency on the polarization direction of the probe beam. It was found that the ± first-order diffraction efficiency and the polarization of the diffracted wave depended strongly on the polarization of the readout wave. The unusual diffraction properties of the recorded grating were attributed to the presence of the circular photoinduced birefringence. PACS 42.40.Ht; 42.40.Lx; 78.20.Fm     

OH自由基LIF光谱研究

利用脉冲高压直流放电技术产生H超声分子束,以纳秒染料激光二倍频输出(282 nm)作为激发光源,通过LIF光谱测量方法,获得了OH A 2Σ+-X 2Π(1, 0)带转动分辨激发荧光谱,并通过对谱线强度分布的分析和计算,得到X 2Π态H的转动温度为(30±1) K;通过对A 2Σ+-X 2Π (1, 1)带及(0, 0)带跃迁的荧光衰减时间谱测量,拟合得出H激发态 A 2Σ+ (ｖ′=1)及X 2Π (ｖ″=0)的寿命分别为(637±6)和(675±13) ns。     

基于多路复用体全息光栅的角度放大器设计

为设计基于多路复用体全息光栅的角度放大器, 建立了多路复用角度放大器(MAM)模型, 从效率均衡性和角度分布均匀性两个方面归纳了其设计规则; 研究了光刻过程中的误差对MAM性能的影响; 分析了实际发散光束对MAM性能的影响. 研究表明:控制光栅空间频率和光栅倾斜角可以实现需要的MAM角度分布, 控制光栅厚度和折射率调制深度可以实现MAM最佳衍射效率; MAM最大复用路数不超过10路; 增大光栅倾角或者记录光与工作光波长之比有利于抑制参考光角度误差带来的MAM出射角分布误差, 减小光栅厚度有利于抑制厚度误差与折射率调制深度误差对衍射效率的影响; 当远场发散角大于光栅角半宽时, 最佳衍射效率下降到50%以下且角度选择曲线失去局部最小值; 增大空间频率或者光栅厚度可以减小所需的折射率调制深度, 增多MAM可复用路数, 但是不利于效率均衡性设计和抑制发散光束的影响.     

High-efficiency electrically tunable phase diffraction grating based on a transparent lead magnesium niobate-lead titanite electro-optic ceramic

An electrically tunable high-efficiency phase diffraction grating using the transparent lead magnesium niobate-lead titanite (PMNT) electro-optic ceramic is proposed. A photomask technique is used for fabricating the grating with the Ti/Pt/Au interdigital electrodes. With the variation of the equivalent phase face induced by the quadratic electro-optic effect of the PMNT ceramic, the diffraction patterns of the light beam will be changed in which the diffraction efficiency may be controlled by an applied DC voltage. When the applied voltages are 41, 80, and 139 V, the zero-order, first-order, or second-order diffraction lights will disappear in turn with about 100% diffraction efficiency. The proposed grating can be used as an electrically controlled switch in the laser beam modulation and scanning, especially for the application of the high-power laser systems.     

基于多路复用体全息光栅的角度放大器设计

为设计基于多路复用体全息光栅的角度放大器, 建立了多路复用角度放大器(MAM)模型, 从效率均衡性和角度分布均匀性两个方面归纳了其设计规则; 研究了光刻过程中的误差对MAM性能的影响; 分析了实际发散光束对MAM性能的影响. 研究表明:控制光栅空间频率和光栅倾斜角可以实现需要的MAM角度分布, 控制光栅厚度和折射率调制深度可以实现MAM最佳衍射效率; MAM最大复用路数不超过10路; 增大光栅倾角或者记录光与工作光波长之比有利于抑制参考光角度误差带来的MAM出射角分布误差, 减小光栅厚度有利于抑制厚度误差