CN102928094A - 绝对波长校准仪 - Google Patents

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张海波
袁志军
周军
楼祺洪
魏运荣
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Abstract

一种绝对波长校准仪，由校准光源、待测光源、第一光纤、第二光纤、光纤耦合器、第三光纤、小孔、抛物面高反镜、光栅、成像透镜、线性光电探测器和电脑组成。本发明采用光纤耦合器将校准光源和待测光源输入到测量***，有效地解决了空间对准和光路同轴的问题，并降低了波长校准仪的空间尺寸。根据待测波长与校准光源在线性光电探测器上成像的距离、成像透镜的焦距和光栅常数可得到待测光源的绝对波长。本发明可精确、方便地校准波长计或光谱仪的波长。

Description

绝对波长校准仪
技术领域
本发明涉及一种绝对波长校准仪，主要适用于波长计和光谱仪。
背景技术
绝对波长是激光的一项基本光学参数。在激光应用中具有重要的作用，例如为了修正光刻机中投影物镜的成像像差、提高设计精度，需要知道绝对激光波长。在激光光谱技术中，为了提高激光输出的稳定性，需要实时测量激光输出波长，并根据输出波长与目标波长的漂移量来调谐光栅等元件调谐激光波长，从而实现激光波长的稳定控制。因此，对激光绝对波长的标定和测量具有重要意义。
先在技术中，采用多个标准具并用迭代算法来校准激光波长，参见文献P.S.Bhatia,C.W.McCluskey，and J.W.Keto,"Calibration of aComputer-Controlled Precision Wavemeter for Use with Pulsed Lasers,"Appl.Opt.38,2486(1999)。该技术中采用迭代算法，而迭代算法本质上是一种近似算法，不仅其精度难以保证而且运算过程费时。此外，该技术采用空间耦合的方式将校准光源和待测光源耦合到测量***中时仅有一个端口，两种光源需要分开地连接到***中才可实现校准的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绝对波长校准仪，该绝对波长校准仪可精确、高速、便捷地校准激光绝对波长。
本发明的技术解决方案如下：
一种绝对波长校准仪，其特征在于该绝对波长校准仪由校准光源、待测光源、第一光纤、第二光纤、光纤耦合器、第三光纤、小孔、抛物面高反镜、光栅、成像透镜、线性光电探测器和电脑组成，上述各部分的位置关系如下：
校准光源经和待测光源分别经第一光纤和第二光纤耦合到光纤耦合器，光束经第三光纤传输到小孔处，发散的光束入射到抛物面高反镜扩束和准直后入射到光栅，衍射光经成像透镜聚焦到线性光电探测器上，电脑对校准光源和待测光源的光斑在线性光电探测器上成像的像素位置分别进行读取和记录，并对数据进行分析和处理。
所述的校准光源是波长已知的窄线宽光源，并且具有较好的波长稳定性。
所述的第一光纤、第二光纤和第三光纤为抗辐射光纤，并在较宽的光谱范围内具有较好的透射率。
所述的抛物面高反镜的曲面镀宽带高反射膜，保证对校准光源和待测光源所包含的光谱均有较高的反射率。
光栅为反射式闪耀光栅，该光栅具有衍射级次高，色散率大，分光效果好的特点。
成像透镜的材料为紫外熔融石英或者氟化钙晶体，以保证在较宽的光谱范围内均具有较好的透射率。
所述的线性光电探测器为线性二极管阵列或线性CCD。
所述的电脑包含数据采集卡和数据分析程序，可对线性光电探测器的像进行读取、记录及数据处理。所述的数据处理即按下列公式进行数据处理，获得待测光源的绝对波长为λx：
λ x = λ r + Δλ = λ r + 2 dh cos α kf ( P x - P r ) .
其中：λr为校准光源绝对波长，Pr和Px分别为校准光源和待测光源在线性光电探测器上成像的像素位置，h为单位像素宽度，d、α和k分别为光栅的光栅常数、光栅闪耀角和衍射级次，f为成像透镜的焦距。
本发明的技术效果如下：
本发明通过光纤耦合器的方式将校准光源和待测光源耦合到光纤耦合器的同一个光纤输出端，解决了现有技术空间耦合方式时需要将两个光源反复多次分别地连接到测量***，有效地降低了光路对准的重复性和难度。另一方面，本发明采用测量由于不同波长的衍射角的偏差造成的线性探测器上的相对距离的方法直接地校准波长，避免了迭代算法，具有校准准确度高和快捷的优点，可同时用于脉冲激光和连续激光的中心波长的测量。
附图说明
图1为本发明绝对波长校准仪的结构框图。
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明绝对波长校准仪的结构框图。由图可见，本发明绝对波长校准仪由校准光源1、待测光源2、第一光纤3、第二光纤4、光纤耦合器5、第三光纤6、小孔7、抛物面高反镜8、光栅9、成像透镜10、线性光电探测器11和电脑12组成，上述各部分的位置关系如下：
校准光源1和待测光源2分别经第一光纤3和第二光纤4与所述的光纤耦合器5的输入端相连，该光纤耦合器5的输出端输出的光束经第三光纤6传输到小孔7处，发散的光束入射到抛物面高反镜8经准直后入射到所述的光栅9，衍射光经成像透镜10聚焦到线性光电探测器11上，电脑12对校准光源1和待测光源2的光斑在线性光电探测器11上成像的像素位置分别进行读取和记录，并对数据进行分析和处理。
所述的校准光源1波长已知的窄线宽光源，并且具有较好的波长稳定性。
所述的第一光纤3、第二光纤4和第三光纤6为抗辐射光纤，在较宽的光谱范围内具有较好的透射率。
所述的抛物面高反镜8的曲面镀宽带高反射膜，保证对校准光源1和待测光源2所包含的光谱均有较高的反射率。
所述的光栅8为反射式闪耀光栅，该光栅具有衍射级次高，色散率大，分光效果好的特点。
所述的成像透镜（10）的材料为紫外熔融石英或者氟化钙晶体，以保证在较宽的光谱范围内均具有较好的透射率。
所述的线性光电探测器11为线性二极管阵列或线性CCD。
所述的电脑12包含数据采集卡和数据分析程序，可对线性光电探测器11进行读取、记录及数据分析。
校准光源1和待测光源2分别经第一光纤3和第二光纤4耦合到光纤耦合器5，经第三光纤6传输到小孔7处，发散的光束入射到抛物面高反镜8扩束和准直后入射到光栅9，当入射光束和光栅9处于利特罗（Littrow）结构时，光栅方程可写为
2dsinα＝kλ，    [1]
其中：d为光栅常数，α为光栅闪耀角，k为衍射级次，为了保证激光波长在光栅（9）衍射时衍射级次相同，要求校准光源（1）和待测光源（2）的激光波长相近。
对光栅方程[1]微分有：
2dcosαΔα＝kΔλ，    [2]
如成像透镜（10）的焦距为f时，不同波长的光斑在线性光电探测器（11）上的相对距离为：
ΔL＝fΔα.    [3]
校准光源（1）λr和待测光源（2）λx在线性光电探测器（11）上成像的像素位置分别为Pr和Px，如单位像素宽度为h，则两个波长的光斑在成像面上的距离为
ΔL＝h(Px-Pr).    [4]
根据式[3]和式[4]可得到两个波长对应的衍射角差 Δα = h f ( P x - P r ) . [5]
将式[5]代入式[2]可得到待测波长与校准波长之间的波长差， Δλ = 2 dh cos α kf ( P x - P r ) . [6]
则待测光源（2）的绝对激光波长为 λ x = λ r + Δλ = λ r + 2 dh cos α kf ( P x - P r ) . [7]
因此，根据校准光源（1）和待测光源（2）在线性光电探测器（11）上成像距离，即可实现对待测光源（2）的绝对波长校准。

Claims (8)

1.一种绝对波长校准仪，其特征在于该校准仪由校准光源（1）、待测光源（2）、第一光纤（3）、第二光纤（4）、光纤耦合器（5）、第三光纤（6）、小孔（7）、抛物面高反镜（8）、光栅（9）、成像透镜（10）、线性光电探测器（11）和电脑（12）组成，上述各部分的位置关系如下：所述的校准光源（1）和待测光源（2）分别经第一光纤（3）和第二光纤（4）与所述的光纤耦合器（5）的输入端相连，该光纤耦合器（5）的输出的耦合光束经第三光纤（6）传输到所述的小孔（7）处，由该小孔（7）发散的光束经所述的抛物面高反射镜（8）扩束和准直后入射到所述的光栅（9），所述的校准光源（1）和待测光源（2）经该光栅（9）的衍射后经所述的成像透镜（10）成像在所述的线性光电探测器（11）上，所述的电脑（12）对校准光源（1）和待测光源（2）的光斑在线性光电探测器（11）上成像的像素位置分别进行读取和记录，进行数据处理，得到待测光源（2）的绝对波长。
2.根据权利要求1所述的绝对波长校准仪，其特征在于所述的校准光源（1）是波长已知的窄线宽光源，并且具有较好的波长稳定性。
3.根据权利要求1所述的波长校准仪，其特征在于所述的第一光纤（3）、第二光纤（4）和第三光纤（6）为抗辐射光纤，在较宽的光谱范围内具有较好的透射率。
4.根据权利要求1所述的绝对波长校准仪，其特征在于所述的抛物面高反镜（8）的曲面镀宽带高反射膜，保证对校准光源（1）和待测光源（2）所包含的光谱均有较高的反射率。
5.根据权利要求1所述的绝对波长校准仪，其特征在于所述的光栅（8）为反射式闪耀光栅，该光栅具有衍射级次高，色散率大，分光效果好的特点。
6.根据权利要求1所述的绝对波长校准仪，其特征在于所述的成像透镜（10）由紫外熔融石英或氟化钙晶体制成，以保证在较宽的光谱范围内均具有较好的透射率。
7.根据权利要求1所述的绝对波长校准仪，其特征在于所述的线性光电探测器（11）为线性二极管阵列或线性CCD。
8.根据权利要求1所述的绝对波长校准仪，其特征在于所述的电脑（12）的数据处理即按下列公式进行数据处理，获得待测光源（2）的绝对波长为λx：
λ x = λ r + Δλ = λ r + 2 dh cos α kf ( P x - P r ) .
其中：λr为校准光源（1）绝对波长，Pr和Px分别为校准光源（1）和待测光源（2）在线性光电探测器（11）上成像的像素位置，h为单位像素宽度，d、α和k分别为光栅（9）的光栅常数、光栅闪耀角和衍射级次，f为成像透镜（10）的焦距。
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Application publication date: 20130213