CN87100754A - 全息光栅和装有全息光栅的光学仪器 - Google Patents

Abstract

用全息法为衍射光栅制作细纹图形，通过使用一或两束象散相干记录光束获得独特的细纹图形，以代替只使用共点光束的方法，而且在制造全息光栅时使用的记录光的象散性会在设计细纹图形中带来更多可以利用的参数，据此可在光栅衬底上形成非双曲曲线类型的新轨迹，从而在各种光学仪器中能够消除那些通常难以消除的象差。

Description

本发明涉及全息光栅，它一般定义为具有由全息照相法或由记录干涉条纹产生的细纹图形的衍射光栅，上述干涉条纹是在覆在光栅衬底上的光敏材料上的两束相干光束形成的，本发明还涉及安装有上述全息光栅的光学仪器。

从发展全息光栅以来，对细纹图形的形成已提出许多改进方法。在使用凹面光栅的光谱仪领域中，已提出一些极好的图形以避免由凹面光栅造成的象差。然而，通常的制造细纹图形的技术是基于使用两束球面传播共点光束之上的，它必然导致在光栅衬底上形成具有旋转双曲面的交叉轨迹，由于垂直方向的象差，高级象差没有得到进一步补偿，因为基于双曲图形之上的传统技术应直接消除如球形或慧形这样的初级象差。

考虑到具有等间距平行线的平面光栅。它没有自身的象差，但是在用在光谱仪中，其中准直仪器和测距仪大多为凹面镜，这些固定在离轴状态的凹面镜会引起象差。为了克服***象差，开始应用具有非直线和/或非等间距的细纹图形的全息照相。然而，使用共点球面光束的传统技术不能有效地消除上述象差。

如前所述，在由全息照相在光栅衬底上形成细纹图形的过程中，应用了球面发散光束，它在聚会时不具有象散性。相反，本发明提出，在上述过程中，在用于记录图形的两束相干光中的至少一束中，使用象散相干光束，它在由光栅中心和光束主光线路径确定的平面内和垂直于上述平面的平面内具有两个不同的焦点。例如，通过在其有由旋转椭球确定的凹面的反射镜反射共点球面光束而得到这种象散光束。

换句话说，本发明的全息光栅的特色为具有由两束互相可干涉的光束（以后记为记录光）的分界条纹而形成的细纹图形，其中任一束或两束记录光是在主光径方向上的垂直和水平平面内具有两个不同的焦点的象散光束。

本发明中所定义的象散光束将参考附图A作进一步解释，其图A中点光源（1a）发射由主光束确定的等角球面光束（共点光束）（2a），经凹面镜（3a）反射后，光束转换成象散光束，它的弧矢光线（4a）聚焦在弧矢（垂直的）焦点（记为②），而子午光线（5a）聚焦在子午（水平的）聚点（记为 ），其中这两个焦点在反射的主光路径（6a）上分离或互不重合。

选择何种象散光束用于一或两束记录光之中，进一步确定在垂直和水平平面中引入多大的焦点差是根据设计中的要制造的目标光栅的所需极限特性进行选择的。然而，本发明的各实施方案所具有的特色是，因为使用象散记录光，在设计细纹图形中的技术参数丰富了并增加了选择的能力以克服未被补偿的象差的程度。

也就是说，具有等角球面波前的共点先由两个参数确定，即，从点源到光栅衬底的距离和点光源对光栅衬底的入射角。相比之下，象散光束对于水平（子午）和垂直（弧矢）方向有双轴聚焦性质，可适合于补偿光学仪器中的垂直方向上的象差。实际上，象散光束是靠球面镜离轴反射而得到的，并根据点光源至反射镜的距离反射镜至光栅衬底的距离，点光源到反射镜的入射角、点光源到光栅衬底的入射角及反射镜的曲率等参数所确定的。利用这些新增加的参数可以补偿光学仪器高阶残存象差。

基发明将根据附图加以说明，本发明更进一步的目的和它的优点将在后面的说明中清楚地体现。

在附图中：

图1显示了在本发明中如何产生象散光束。图1显示了用于记录细纹图形于光栅衬底之上的传统的平面图。

图2显示了用于将细纹图形记录在光栅衬底上的本发明的***的平面图。

图3显示了用于将细纹图形记录在光栅衬底上的另一发明***的平面图。

图4描述了光谱仪中的光通道，显示了包括光栅、入射光，和光谱的有效轨迹的位置的安排。

图5描述了使用本发明光栅与传统光栅的相比较的消除象差的结果。

图6显示了安装本发明的光栅的光谱仪的平面图。

图7显示了用于在光栅衬底上记录细纹图形的又一发明的***的平面图。

图8显示了用于在光栅衬底上记录细纹图形的另一发明的***的平面图。

图9和图10显示了装有发明的光栅的光谱仪的平面图。

图11显示了用于在光栅衬底上记录细纹图形的另一发明的***的平面图。

图12描述了关于发明的光栅与传统的光栅消除象差对比试验的其它结果。

图13显示了用于在光栅衬底上记录细纹图形的另一发明的***的平面图。

图14显示了安装发明的光栅的光谱仪的平面图。

为方便描述起见，将这些图分组。具体地，图1、2、3、4和5是第一组，图6和7为第二组，图8、9、10、11和12为第三组，图13和图14为第四组。

要说明的是所有的图都是示意图而非比例图，但是这些图用于对照解释发明中有关的技术是很有用的，并且表现了具体方案的实施，然而，附图不应被认作是对本发明的限制。

实施例1

图1显示的是用传统的技术产生光栅的过程或用传统的技术在球面光栅上记录细纹图形的***，其中1是覆有光敏材料的待制成衍射光栅的衬底，2、3是发射球面波相干激光的点源。如前所述，这个球面光束在衬底上记录了由两个双曲面相交形成的边界条纹。

所用激光波长为441.6毫微米（nm），其它参数为：

rc＝0.9896，γ＝-4.764°

rd＝0.9908，δ＝10.101°

实施例2

图2显示的是本发明产生细纹图形的记录***，其中谱线的垂直轨迹与谱线的水平轨迹在它们的中途（图4中标记成“m”）相交叉或切割，其中4是凹封面光栅衬底，5是曲率半径＝0.6132的球面反射镜，6是水平半径为0.6132、垂直半径为0.5852的超环面反射镜，7、8是发射共点光束的激光点。采用441.6毫微米的激光，其它记录参数为：

P_c＝1.5819 q_c＝0.5923 τ_c＝15，000°（度）

P_D＝1.5831 q_D＝0.5923 τ_D＝15，000°

γ＝-4.764°

进一步地，其中

和

表示由反射镜5，6反射的激光束的水平和垂直焦点。焦点 和

的分开表明初始的共点光束通过在反射镜5和6的反射变成了象散光束。

实施例3

图3显示的是用于超环面（toroidal）光栅（注意，作为对比，前面图2的是凹球面光栅的情形）的记录***，此光栅具有如图4所示的基本相等的水平和垂直轨迹，它们的位置与图2的方法中形成的光栅的水平轨迹重合。其中12是超环面光栅衬底，13是曲率半径＝1.000的球面镜，14，15是发射441.6毫微米球面光束的激光点源。其它参数为：

P_c＝1.9854 q_c＝0.9957 τ_c＝5.288°

r_D＝0.9908 γ＝-4.764° δ＝10.134°

进一步地其中

和

表示由激光源14发出经反射镜13反射后的光束的水平和垂直焦点。

实施例4

图4用来显示光谱仪中谱线轨迹的位置如何按凹面光栅（它是本发明或通常的）的不同而不同，其中21是入射狭缝，22是待测定的球面或超环面光栅，23是全息平面或阵列检测器，它们应该定位于能在350nm（λ₁）至750nm（λ₂）的波长范围内获得与谱线轨迹的最小偏离的位置上。其它的参数为：

r＝0.9514，r₆′＝0.9707

r₁′＝1.0035，r₇′＝1.1101

r₂′＝1.0104，r₈′＝1.0979

r₃′＝0.9953，α＝19.268°（度）

r₄′＝1.0092，β₁＝-7.164°

r₅′＝1.0504，β₂＝6.309°

并且光栅的水平曲率半径（在超环面的情况下为近似值）为1.000。

在此要注意的是图4中的三条虚线表示水平和垂直聚焦曲线，其中图1、2和3的光栅的三条水平曲线互相重合，图3的一条垂直曲线也重合在其上，图1和图2的垂直曲线则是分开的。

实施例5

这个实施例是用来表示使用本发明的光栅和传统的光栅在消除象差方面的比较结果。

图5显示了使用图4所示光谱仪进行实验所观察到的象差的程度，其中具有不同波长的单色光由入射狭缝的中心引入，并在图4标注的像平面位置上接收，其中所用光栅为同图1（传统的）、图2（发明例1的）和图3（发明例Ⅱ的）所示的不同记录***制造的光栅具有相同曲率半径（＝200毫米）和相同面积（40×40平方毫米）。

所以，序列（a）的图对应于图1的光栅所得的结果，序列（b）对应于图2的结果，同样地，序列（c）对应于图3的结果，其中在使用本发明的序列（b）和（c）中观察到的结果在消除垂直像差方面明显优越于使用传统的方法的结果序列（a）。

在上面涉及的形成光栅的方法中，将共点的光转变成用于记录的发散波是由离轴状态的超环面镜或球面镜实现的，但是亦可采用其它的类似反射镜，象物圆柱面、椭球面反射镜和超环面、球面或圆柱面透镜，也可采用一面覆有金属的光学元件。

第2组

实施例6

图6显示的是装有本发明的平面光栅的光谱仪，其中31是入射狭缝，32是凹面镜，33是本发明的光栅，34是出射狭缝，其中的这些元件假定定位于从300至900毫微米的波长范围内与水平焦点具有最小偏差的位置上，进一步地其中假定凹面镜32的曲率半径＝1.000，光栅33的光栅常数＝1/1200毫米，它的使用级数为第一级，其它参数为：

r＝0.7755    D＝0.6204    r′＝0.7064

Q＝10°（度）    2K＝20°

实施例7

图7显示的是制造发明的平面光栅的记录***，其中44是平面光栅衬底，40、41是记录光束源，42是半径为1.000的球面镜，42是水平曲率半径为1.000和其垂直半径为0.9388的超环面镜。使用波长为441.6毫微米的激光，其它特别参数为：

P_c＝1.9724 q_c＝0.9767 τ_c＝5.121°

P_D＝2.0799 q_D＝0.9879 τ_D＝4.956°

γ＝33.438°    δ＝1.210°

进一步地，两对

和

点代表由与前面所示相同功能的反射镜42、43产生的水平和垂直焦点。

在这个实施方案中，两个反射镜21、23是凹面的，但是这不是必要条件。另外，在任一位置上使用凹面镜也是可接受的，而且光栅衬底可用圆柱而代替平面。

第3组

实施例8

这个实施例涉及参考图8所示的方法产生本发明的平面光栅，和使用图8所示方法的Czerny-Turner（泽尔尼-特纳）结构分光法（图9）。

在图8的情形中，两个通过将同一激光束（未显示）分开并聚焦而得到的记录光束52、53在光栅衬底81上干涉，其中在它们的传播路径上这两束光分别在凹面镜54、55上反射变成非球面光。

在图9的***中，使用以下参数：波长为300毫微米至800毫微米，在光栅56中心处的光栅常数为1/16000毫米，而准直器58假定为具有单位曲率半径长度的球面镜。

与图8或制造光栅有关的其它参数为：记录激光源波长为441.6毫微米，曝光参数为：

P_c＝0.9898 P_d＝0.9896

q_c＝0.3915 q_d＝0.3907

τ_c＝1.438° τ_d＝1.564°

反射镜54、55的曲率半径（R4、R5）相等，R4＝R5＝1.000。

与图9或分光***有关的其它参数为：

r＝0.4298，D′＝0.4325，r＝0.4977，D＝0.4298，

D′＝0.4325，r′＝0.4925，θ＝5.53°，K＝29.12°，

θ′＝13.44°

使用级数m＝-1，照相反射镜59的曲率半径（R9）为R9＝1.013。所以，P_c，q_d和凹面镜54、55的曲率半径等于或接近于准直器58的曲率半径。

实施例9

这个实施例涉及使用本发明的凹面光栅的Seya-Namika结构分光法，上述凹面光栅的制造在图11中显示。图12显示了采用本发明和传统的光栅象差估计。

在这个实施方案中制造并应用的凹面光栅是曲率半径为50毫米的球面，在光栅中心的栅距为600线/毫米。图10显示了包括此光栅的分光***，其中66为入射狭缝，67为出射狭缝，由入射狭缝66至光栅60的中心65的距离（r）为r＝409.8374毫米，由光栅中心65至出射狭缝67的距离（r′）为r′＝410.8190毫米，入射狭缝和出射狭缝间相对光栅中心65的夹角（θ）为θ＝69.7083°，使用的波长为100至700毫微米。

图11显示了用于在制造光栅60时记录细纹图形的安排，其中61为曲率半径＝500毫微米的凹球面衬底，随后假定位于光栅中心65的法线（N）和通过法线N的平面，点光源62在该平面上，由距离r＝1999.4毫米和与法线N成α＝47.7°角确定，并假定相对于点62在线N的另一侧β＝11°角的线上有另一个点，距离为r′＝871.4毫米，凹球面反射镜63安成使镜的中心68位于前面所述的另一个点上，另一个点光源64位于角度两倍于直线65至68和反射镜中心68处的法线的夹角（γ）的线上，以在中心68（2γ＝16.4°）上构成反射，光源离开中心68的距离P＝20.49毫米。所用记录光为波长是457.93毫微米的激光。

图12是在计算的基础上以曲线图的形式记录的象差比较的结果，它们是在用图10的分光法检测了由本发明的光栅（没有进一步的校正）和经差校正后的光栅产生的。

第4组

实施例10

这个实施方案涉及参考图13所示的方法制造本发明的平面光栅，和使用图13所示方法制造的光栅的Litrrow（利特罗）结构分光法（图14）。

图13中，71为平面光栅衬底，72和73为记录光源，它们通过对同一束激光（未显示）进行分光而得到，将这两束来自源72，73的球面扩散的光束用凹面镜74、75反射以形成非球面光，并在衬底71上产生干涉条纹。

用于图14的Litrrow结构***中的参数为：波长是200毫微米至800毫微米，位于光栅71的中心的光栅常数为1/1800毫米，准直器78假定具有单位曲率半径长度。

制造图13所示光栅的特殊参数为：使用的激光波长为441.6毫微米。

P_c＝0.3986 P_d＝0.3912

q_c＝0.8710 q_d＝0.8708

τ_c＝6.188° τ_d＝13.545°

两个凹面反射镜74、75曲率半径分别为R4、R5，R4＝R5＝1.000。

图14的***的参数为：r＝0.4988，D＝0.4078D′＝0.4093，γ＝0.4973，θ＝4.290° 2K＝2.405°，θ′＝5.709°;使用级数为-1，准直器78曲率半径R8，R8＝1.000。所以，q_c，q_d和凹面镜74、75的曲率半径等于或接近于准直器78的曲率半径。

在图13的例子中，两个凹面反射镜用来分别反射来自光源72和73的光，但在类似的记录***中，两个凹面反射镜并不总是必要的，在本发明中可接受只用任一反射镜的情况。另外，光栅衬底可用圆柱或圆球面代替平面。

如前所述，那些熟悉本技术的人可在不背离本发明的精神的前提下可将不同的替换和改进引入本发明，进一步举例来说，前面所述的光谱仪可以为分光光度计，但这种情况也包括在本发明的范围之内。

Claims (2)

1、具有由两束相干光干涉产生的细纹图形的全息光栅，其中任一或两个光束都是象散性的，并在由光栅中心和光束传播的主光线路径所确定的平面内和垂直于上述平面的平面内具两个不同的焦距。

2、安装有权利要求1的全息光栅的光学仪器。

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