專利名稱：光學分光計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學分光計。常見類型的光學分光計使用光柵使光產(chǎn)生衍射。譬如光柵是在反射或透射底片上精密排列的、完全平行的、完全等距的凹槽(“線”或“刻線”)。凹槽導致產(chǎn)生相互干涉的衍射效應(yīng)，使得反射或透射的電磁成離散的方向時即出現(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉。這些方向均取決于波長，除了直接透射或反射(入射角＝反射角)的方向外，而這不被認為包含在本文所述的“衍射”定義之內(nèi)。在分光計中，運用波長決定散射的結(jié)果來分析光的光譜特性。一個強度檢測裝置(如一個光感器)可檢測光強度相對于衍射角度的函數(shù)。
背景技術(shù)：
在實際應(yīng)用中，對微弱入射光進行光譜特性分析時需要一個靈敏的測量元件，這種分光計最好對所用的衍射級數(shù)有高的衍射效率。例如在拉曼光譜學中，通常當?shù)蛷姸鹊墓獗凰芯康奈矬w非彈性散射后對其光譜進行分析就需要這種分光計。
不幸的是，在該情形下來自光柵的衍射效率并不很高，或只是入射光的一部分偏振光的效率較高，比如在掠入射使用光柵，此時當入射光與光柵平面法線的夾角增加到大于60°時該效應(yīng)即已可檢測到。通常光的不同偏振成分被衍射至不同的波長范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
其中，本發(fā)明的目的之一是增大光柵分光計的效率。
另一個目的是增大光以掠射角入射到光柵上時的效率。
此外，本發(fā)明的另一個目的是增加由光柵衍射所獲得的信息。
本發(fā)明提供一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計。光柵的衍射效率可因入射光的偏振方向的不同而不同。結(jié)果，光柵具有一個主方向，光必須沿此方向進行偏振以實現(xiàn)最大的衍射效率。例如，對于具有基本為正弦凹槽剖面的全息光柵，電場矢量垂直于光柵凹槽方向的偏振光(TM偏振光)，當以與法線呈一個大的角度入射到光柵平面時，其衍射效率在特定波長間隔內(nèi)可以很高(例如＞90％)，而在這種情況下，電場元件平行于光柵凹槽方向的入射光(TE偏振光)的衍射效率很低(例如＜15％)。因而，這種情況下，主方向為電場矢量垂直于光柵凹槽方向的方向。
本發(fā)明提供，由入射光的剩余部分分離至少一部分入射光，這樣，入射光的第一偏振成分被以比入射光的第二偏振成分高的效率被分離。分離部分進入光柵，這樣當分離部分被光柵衍射時，分離部分中的第一偏振成分的方向至少有一次平行于光柵的主方向。入射光的剩余部分進入光柵，這樣當剩余部分被光柵衍射時，剩余部分的第二偏振成分的方向至少有一次平行于光柵的主方向。應(yīng)當認為，這里使用的術(shù)語“剩余部分”是指，分離部分和剩余部分共同組成至少部分的入射光。該術(shù)語不需要剩余部分在分光計的任何位置和分離部分相分離的傳播。
因此，當分離部分和剩余部分被衍射，他們沿主方向的偏振都比入射光大。結(jié)果，入射光的整個衍射效率增加了。例如，入射光未被偏振時的情況下是這樣的。但是，當偏振光被非最佳偏振的接收時，偏振入射光的衍射效率可以以這種方式增加。
此外，我們發(fā)現(xiàn)，在所關(guān)心的波長間隔內(nèi)為達到一個高、統(tǒng)一且可重現(xiàn)的光譜分辨率，需要衍射光優(yōu)選基本垂直于光柵平面被衍射。分辨率依賴于衍射方向和光柵平面法線之間角的余弦。當所關(guān)心的波長間隔的光在該角度的余弦的改變最小的方向范圍內(nèi)發(fā)生衍射，光譜分辨率對波長的依賴最小。而且，對于入射光在光柵上的一個給定的入射角，分辨率最大。這種情況下，偏振方向旋轉(zhuǎn)尤其有利，這樣，兩個偏振成分至少到達光柵一次，它們的偏振方向通常平行于主方向。
此外，為了達到高效率，需要只出現(xiàn)一個依賴于波長的衍射級別。因此，沒有到達強度檢測裝置或者必須被分開分析的衍射級別沒有能量損失。與靠近光柵平面的法線的衍射結(jié)合，為實現(xiàn)此目的，入射光必須以一個相對于光柵平面相對小的角入射，該角叫做掠射角，代表性的為相對光柵平面的法線成60-85°范圍，其取決于所關(guān)心的波長范圍。更大的角度需要一個不實用的大光柵和透鏡來收集衍射光。對于更小的角度，在不產(chǎn)生第二個級別衍射的波長范圍內(nèi)，第一個級別的衍射光方向如上所述會與正交衍射相偏離，一定程度上會失去作為完全正交衍射所獲得的，與波長完全無關(guān)的光譜分辨率相對于波長的函數(shù)的優(yōu)勢。
在這種情況下，用于增進光柵主方向上的入射光偏振成分的同軸性的方法尤其具有優(yōu)勢，因為掠入射光的正交方向的衍射另一方面會降低通常所用的光柵，如全息光柵的衍射效率。
使用掠入射光的效果是入射光所照亮的光柵區(qū)域比在光到達光柵前位于入射光路徑上的光學元件所需要的面積大(因為這些元件通常垂直于光傳播的方向)。這意味著，在該路徑上可以用相對小的、低成本的光學元件。這對用于為與光柵主方向平行的兩個偏振成分的偏振方向定向的偏振旋轉(zhuǎn)元件尤其有效。但它更通用于任何用于掠入射下的輸入路徑上的光學元件，不僅僅是當偏振都被定在主方向上時。
傳統(tǒng)的成像元件(如透鏡和曲面鏡)用于分光計中光學上位于光柵的前面和后面，這樣，分光計的進入口(entry opening)聚焦于檢測器上(在本發(fā)明的上下文中，分光計的進入口是指穿過該點，用分光計分析的光進入分光計，包括但不限于針孔、光圈、狹縫、光纖、光學波導或者這些元件中一個或多個的組合)。當入射光以掠入射角到達光柵時，在光柵前可使用一個相對小的具有相對短的焦距的校準光學元件(衍射前成像)，在光柵后優(yōu)選使用一個相對大的具有相對長焦距的光學元件(衍射后成像)。因而，信號檢測效率優(yōu)化，縮小了進入口在波長傳播的方向的檢測器上的成像，增大的檢測器的光譜分辨率。
優(yōu)選地，分光計在分光計的進入口和光柵直接具有第一和第二光路，入射光的第一成分基本上僅通過第一光路到達光柵，第二成分通過第二光路到達光柵，分光計在第二光路上設(shè)置偏振旋轉(zhuǎn)元件，用于旋轉(zhuǎn)第二成分的偏振方向，這樣它基本上以主方向上的光學偏振到達光柵。當?shù)谝怀煞忠呀?jīng)大體指向主方向時，它可以不經(jīng)旋轉(zhuǎn)的到達光柵。這可以用較少的成分(component)實現(xiàn)分光計。在進一步的實施例中，第二光路包含第一光路。第二光路號包括一個由光柵第一路徑鏡面反射的光的路徑，一個用于將鏡面反射光反射到光柵上的反射元件和一個用于旋轉(zhuǎn)在完全垂直的第二光路上的鏡面反射光的偏振的偏振旋轉(zhuǎn)元件。這樣，使用光柵鏡面反射的偏振選擇效果來提取用于旋轉(zhuǎn)其偏振的第二偏振成分(盡管鏡面反射光通常沒有被完全偏振，但是它通常比入射光更進一步的被偏振。因而主方向上任何依賴于波長的變化會自動得到解決。
在直交偏振的另一個實施例中，所分析的光的成分在光柵衍射前，在分光計的進入口和光柵直接的路徑上被分離。分離后的兩個偏振成分所沿著的路徑根據(jù)它們各自偏振旋轉(zhuǎn)的量而彼此不同，因此，兩個偏振成分都以主方向到達偏振的光柵。因而，兩個偏振成分以完全相同的方向到達光柵，使得第一級別衍射依賴于波長的方向完全與兩個部分的方向相一致。
分光計使衍射光在檢測器上成像。一個實施例中，構(gòu)建第一和第二光路，這樣，分光計使入射光的第一偏振成分每一個波長成分在檢測器上完全相同的位置成像，在該位置，分光計使入射光的第二偏振成分的相應(yīng)波長成分成像。這樣，可以得到一個高效的分光計。
在另一個實施例中，構(gòu)建光路，使分光計使入射光的第一偏振成分的波長成分在光柵衍射后，在檢測器上一系列位置成像，這些位置可檢測的和分光計使第二部分的波長成分成像的進一步的位置不同。因而，可以分析兩個光譜，每個對應(yīng)偏振成分各自的部分，一個單個光柵使用的一個單個的衍射實驗。一個二維排列的檢測器元件，如電荷耦合裝置(CCD)可用來檢測不同波長的兩個偏振成分的衍射光的強度。替代的，使用一對線性檢測器，每個檢測器作為用于測量偏振成分之一的衍射光強度相對于波長的函數(shù)。
當由光柵反射的光直接沿光柵反射的方向反射回光柵時，兩個偏振成分的光譜根據(jù)它們的空間波長依賴性成像，并在檢測器的相對方向上延伸。因此，兩個光譜優(yōu)選成像于檢測器上空間地不同位置。在另一個實施例中，直接反射光穿過將光由完全和原始入射光相同的方向引導至光柵上的路徑。因而，兩個偏振成分的衍射光具有相同類型的對檢測器的空間波長依賴性。
在進一步的實施例中，分光計包括一個位于光柵和檢測器之間的偏振濾光器，阻擋任何垂直于主方向的偏振方向的衍射光。因而，保證了一個特殊的檢測器元件僅接收完全和主方向偏振平行的光。
優(yōu)選地，從分光計進入口發(fā)出的光以一個選擇的角度到達光柵，這樣，第一級別的衍射出現(xiàn)在基本垂直或至少接近垂直于一個所關(guān)心的波長范圍的光柵平面的方向。結(jié)果可得到最大分辨率，且分辨率對波長的依賴最小化。應(yīng)當認為，即使從分光計進入口發(fā)出的光的偏振成分沒有旋轉(zhuǎn)至都和光柵線平行，仍可以達到這種效果。然而，這樣一個偏振角的旋轉(zhuǎn)對于正交衍射角的情況尤其有用，因為在后面的情況下，當沒有采取措施來保證兩個偏振成分的有效衍射時，效率會降低。當選擇光柵周期和入射角時更是這種情況，這樣，基本上只產(chǎn)生第一級光柵衍射，且為增大效率基本和光柵平面正交。即使當被光柵衍射時，沒有旋轉(zhuǎn)兩個偏振成分以使兩部分的電場矢量和光柵線垂直，也還可應(yīng)用這種方法。但是后面一種情況效率提高了。


利用下面的附圖，對該分光計的這些及其它目的和優(yōu)點方面以及測量方法進行詳細描述。
圖1給出了一個分光計；圖1A給出了一個光柵和一個坐標系統(tǒng)；圖2A給出了通過光柵散射的光束；圖2B光束寬度的圖解；圖3～圖6給出了不同的偏振下光束的散射；圖7給出了分光計的另一種結(jié)構(gòu)形式；圖8給出了光束分離及偏振旋轉(zhuǎn)元件。
具體實施例方式
圖1示意性的給出了一個分光計100。分光計100包含光學入口110，一個光柵2，光學檢測器112和一個檢測器114。分光計100用于測量光的強度相對于波長的函數(shù)。該分光計100的一個應(yīng)用例是在拉曼散射實驗中，對非彈性散射光(散射光的波長不同于入射在樣品上的光的波長)的強度與波長的函數(shù)進行測量。如示例，圖1示意性的給出了一種包括一個優(yōu)選的單色光源102及樣品104在內(nèi)的拉曼測量結(jié)構(gòu)。在操作中，光源102產(chǎn)生光以照射樣品104，而樣品對光產(chǎn)生散射。散射光被導入測量散射光強度與波長(或者說，頻率)函數(shù)關(guān)系的分光計100。
圖1A給出了用于分光計內(nèi)的一個反射光柵2。光柵有一系列的彼此平行的凹槽。盡管光柵2的衍射結(jié)構(gòu)通常為“凹槽”或“線”，這些術(shù)語應(yīng)被認為包含任一類型的具有空間間距衍射性能的結(jié)構(gòu)。從不同凹槽衍射的光束所產(chǎn)生的干涉光導致了波長在一定角度下與凹槽的衍射成函數(shù)關(guān)系。
為了描述本發(fā)明，對應(yīng)于光柵2定義了一個坐標系統(tǒng)。坐標系統(tǒng)的中心就是分光計中光柵前表面的中心。X軸通過坐標系統(tǒng)的中心點且與光柵的表面垂直。Y軸通過坐標系統(tǒng)的中心點且與X軸及光柵凹槽的方向垂直。Z軸通過坐標系統(tǒng)的中心點且同時與X軸和Y軸垂直，因此它與光柵凹槽的方向平行。
定義角α為在XY平面上的，入射到光柵平面的光矢量與Y軸正向的夾角。在反射光柵的例子中定義角βλ1為Y軸正向與波長為λ的光被光柵第一級衍射后光束的夾角。
第n級衍射的衍射光滿足等式(等式1)nλ＝d.(cosα+cosβλ)其中n＝衍射的次序λ＝衍射光的波長d＝光柵常數(shù)(光柵上連續(xù)凹槽之間的距離)α為以上定義βλn即波長為λ的被n級衍射的衍射光的角度在本發(fā)明中第一級衍射是通過等式1來定義的，其中的整數(shù)n取值為1。(當n＝0時產(chǎn)生鏡面反射，而不會出現(xiàn)上下文中的“衍射”)。
圖2A給出了包含一系列所需波長λ的光束1，入射到具有與坐標系統(tǒng)的Z軸平行的凹槽反射光柵2上。光束1在XY平面上，且與光柵平面成α角。光束3是通過光柵2的鏡面反射光。適當?shù)倪x擇光柵常數(shù)d和光束1的入射角α且僅允許在第一級產(chǎn)生衍射。以下是當滿足下列條件時所需波長的情況
2λ/d-cosα＞1(n＞1時不產(chǎn)生衍射)且λ/d+cosα＞1(n＜0時不產(chǎn)生衍射)上述條件的應(yīng)用是對于平面反射光柵的，入射波長的第一級衍射將在角度βλ處出現(xiàn)，如圖2A所示，小于90°。
在該條件下，當角度α變小時，通過合理的選擇凹槽剖面和光柵涂層，運用可購得的專用軟件包如IIC公司的pCgrate-軟件，可算出TM偏振光的第一級衍射效率將非常高(＞90％)。作為對照，TE-偏振光的第一級衍射非常微弱因而集中在鏡面反射光(如在光束3)。
光學檢測器中的透鏡4用于將經(jīng)過第一級衍射的，目的波長的光聚焦到一個(多途徑的)檢測器114上的感光裝置5，如光電二極管排列或一個電荷耦合裝置。
光通過入射開口進入分光計100。優(yōu)選光學入口110包括一個形如針孔或裂縫的狹窄開口，且通過光柵2，光學入口110和光學檢測件112一起通到檢測器114。優(yōu)選地，從開口來的光經(jīng)過光柵2校準后聚焦到檢測器114上。光學入口110到光學檢測件112間的光學元件易于插拔，在沒有引入潛在的光學像差時，這對防止分光計的性能降低是有必要的額外措施，如在光學分辨率或信號輸出方面。但當然，當光束在光柵2上沒有完全校準時，分光計100仍然會工作。
優(yōu)選的，因此，光學入口110包括一個光學元件，用來校準經(jīng)過開口的光束。開口可以是如針孔、光圈、裂縫、通過一個光纖或多個光纖。眾所周知，對于如本發(fā)明所描述的分散分光計，針孔或光圈的直徑，或是單(多)光纖的中心位置，或是裂縫的寬度都與分光計的分辨率有直接的關(guān)系。待分析的光通過一個小針孔或一個細微的光纖進入分光計，Dbeam即入射到光柵的光經(jīng)校準后光束的寬度，取決于待分析光進入分光計的入射角度以及校準光束的光束元件的焦距長度。
經(jīng)過第一級衍射的光束(垂直于Z軸的方向)寬度將出現(xiàn)顯著增大倍率M，如等式2所給出。
M＝Dbeam’/Dbeam＝sinβλ/sinα其中Dbeam’＝波長為λ時第一級衍射光束的直徑(在XY平面上)Dbeam＝入射光束的直徑光柵2的寬度(Y軸上的尺寸)必須比Dbeam/sinα要大，以完全容納入射光1。光學檢測器112中透鏡4的尺寸有針對的選擇，以保證對第一級衍射光進行有效的檢測。
光束的顯著增大倍率M的優(yōu)點在于，光通過針孔或光纖中心或其它形式的開口進入分光計，在分散到檢測器5的波長方向以同樣的參數(shù)M縮小(不考慮透鏡的像差)，因此增強了光學分辨率。
圖3給出了一個分光計，其內(nèi)在從光柵2來的光學反射通道上加入一個偏振旋轉(zhuǎn)元件和鏡子。偏振旋轉(zhuǎn)元件用于旋轉(zhuǎn)偏振光并將其來回反射共90°。例如，一個λ/4(即四分之一波相延遲)的圓盤可用作偏振光的旋轉(zhuǎn)元件。在操作中，入射光1通過光柵2的光學反射(光束3)通過一個λ/4盤6后，被轉(zhuǎn)化為循環(huán)偏振光。然后被鏡子7反射回，再次通過λ/4盤6。光學反射光兩次通過λ/4盤6，可產(chǎn)生將偏振光旋轉(zhuǎn)90°的效應(yīng)。這意味著原來為TE-偏振光的第一級衍射非常微弱，現(xiàn)在再次入射到光柵上是TM偏振且在光柵2的第一級衍射很顯著。透鏡4同時收集直接衍射的第一級衍射光以及經(jīng)鏡子7反射且通過偏振光旋轉(zhuǎn)元件6后的第一級衍射光。透鏡4將目的波長聚焦到檢測器5上。
在圖3的結(jié)構(gòu)中，首先被光學反射然后投射到光柵2的光被聚焦到檢測器5上，該位置不同于直接第一級衍射的光1的聚焦位置。這表明需要用一個足夠大的檢測器收集所有第一級的衍射光，以檢測來自兩個光譜的、并排投射到其上的光線。
圖4給出在第一級反射光路上裝有線性偏振器10的分光計。偏振器10在第一級衍射光路上傳輸TM偏振光，并阻擋垂直于該方向的偏振光。
在操作中只有TM偏振光被檢測到。第一級衍射光11投射到檢測器5給出了入射光1的一段TM光譜。第一級衍射光12投射到檢測器5給出了入射光1的一段TE偏振光譜。
取決于入射光中可出現(xiàn)的波長，在檢測器上的目的光譜范圍外的光譜范圍，兩個光譜將出現(xiàn)重疊。如果光出現(xiàn)在目的光譜范圍外的光束1中，最好在分光計中增加一個或多個光纖，且最好在光學入口110上。目的波長范圍內(nèi)的光可通過該光纖，而可能產(chǎn)生光譜重疊波長的光將被阻擋，從而優(yōu)先入射到檢測器上。這種對入射光的限制除了可獲得目的光譜范圍，還可防止所有的干擾波長，例如通過一個絕緣的寬帶通道光纖本身或其它形式。光纖優(yōu)選安裝在校準光束的通道上。
然而，還有其它消除直接反射光的光譜與已旋轉(zhuǎn)的偏振光的光譜之間出現(xiàn)光譜重疊的方法。如圖3中的入射光1可射到光柵2上，從而光束1與XY平面成一個非常小的γ角。
圖5描述了入射光1與XY平面成γ角的情況。透鏡4的光學軸的中心與檢測器5的中心仍在XY平面上。在該情況下入射光1與不再具有偏振成分的衍射光與光柵的凹槽方向精確平行。然而對于小的角度α，光柵的衍射性能將不會受到大的影響。TM偏振光(與光柵的凹槽垂直的電場矢量)將仍產(chǎn)生顯著的第一級衍射，而TE偏振光(垂直于TM偏振光)則產(chǎn)生微弱的衍射。在圖5所描述的條件下，入射光在XY平面上方射到光柵上。因此入射光的直接在第一級產(chǎn)生衍射的TM偏振光部分被聚焦到檢測器5的下半部分。被鏡面反射的光，主要是TE偏振光，則通過鏡子7被反射回。在該光路上，它通過λ/4盤6兩次，并產(chǎn)生將偏振光旋轉(zhuǎn)90°的效應(yīng)。被鏡子7反射回的光束以及被光柵2第一級顯著衍射的光束被聚焦到檢測器5的上半部分。對于檢測器5，可用一個例如電荷耦合裝置的二維排列的感光元件。具有該感光元件的檢測器可分別分辯出兩個光譜的投影，這就避免了光譜的重疊。
鏡子7將TE偏振光沿從光柵2來的方向反射回光柵2，安裝鏡子7的實施例具有最小化TE偏振光使其結(jié)構(gòu)均衡的優(yōu)點。然而本發(fā)明并不局限于該實施例。
圖6給出包含一對鏡子60，61及一個用于將通過它的光旋轉(zhuǎn)90°的λ/2盤62。第一個鏡子60將來自光柵2的垂直反射光，通過λ/2盤62，反射到第二個鏡子61。第二個鏡子61被安裝在入射光6的下方或上方。半波態(tài)延遲盤62將偏振光旋轉(zhuǎn)90°。鏡子61將光束反射到光柵2并與XY平面成γ2的夾角。γ2角與γ1角在入射光與XY平面之間有所不同。結(jié)果是如圖6所示，直接產(chǎn)生第一級衍射的光束被聚焦到檢測器114的某一位置，而通過鏡子60，61反射后到達光柵2的光束再產(chǎn)生的第一級衍射的光束則被聚焦到檢測器的另一位置。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可避免兩個光譜出現(xiàn)重疊且與圖3所示的結(jié)構(gòu)相比，可大幅降低透鏡4和檢測器114的直徑。這可顯著的降低成本。
各種其它大眾所熟知的將偏振光旋轉(zhuǎn)的裝置可用一個相位推延板來代替。這些包括，但不局限于此，使用多反射表面的組合將偏振光旋轉(zhuǎn)。
圖2至圖6所示的結(jié)構(gòu)中，光柵本身就可將入射光分離為初級。然而，還可用一個額外的偏振分離器來對偏振光束進行分離。
圖7給出一種替代方法。在該方法中，分離器70將入射光分離為兩束光，一束為TM偏振光，另一束為TE偏振光。在第二束偏振光被導到光柵2之前，分離器70將其旋轉(zhuǎn)90°。
圖8給出了一個非彩色的偏振光分離器，它可用于分離偏振光并將其旋轉(zhuǎn)。分離后互相垂直的偏振光直接被導向光柵2(未示出)。通過半波態(tài)延遲盤，可將含TE偏振光的偏振被旋轉(zhuǎn)90°。圖8的分離器僅是舉例說明任何已知的方法均可實現(xiàn)對偏振光的分離。
圖7分光計的實施例中，光束均以相同角度(平行光)導向光柵2。結(jié)果是通過透鏡4，兩束光從光柵產(chǎn)生的第一級偏振中不同波長的部分將被聚焦到檢測器114上的同一位置。如果入射光未被偏振或無需了解進入分光計的光的偏振情況時，該選項十分有用。
在另一個實施例中，光束以相互不同的角度(彼此不平行)入射到光柵2上。結(jié)果是，兩束光的第一級衍射光將被聚焦到檢測器上的不同位置。如果是對檢測信號偏振狀態(tài)的信息感興趣，則這種選擇十分有用。比如，可用一個二維的檢測器陣列如一個電荷耦合裝置分辯兩個光譜的輸出。
權(quán)利要求
1.一種光學分光計，包括接收入射光的進入口；光柵；第一和第二光路，入射光沿著該第一和第二光路入射到光柵上，至少第二光路的一部分不與第一光路重合，根據(jù)入射光的偏振特性選擇的入射光的一種成分通過第二光路的該部分；在所述部分中的至少一個偏振旋轉(zhuǎn)元件，用于對入射光的所述成分的偏振方向進行旋轉(zhuǎn)，從而使入射光到達光柵時，該最大偏振方向基本沿著偏振的主方向，偏振光被光柵以最大效率衍射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的分光計，其中，入射光的第一偏振成分在到達光柵后基本只通過第一光路被衍射，入射光的第二偏振成分在到達光柵后通過第二光路被衍射，所述至少一個偏振旋轉(zhuǎn)元件被設(shè)置以旋轉(zhuǎn)來自第二偏振成分的光的偏振方向，使得第二偏振成分相對于第一偏振成分的偏振方向正交地旋轉(zhuǎn)并到達光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的分光計，其中，第二光路包含了跟隨有一個分路的第一光路，沿著該分路，光被光柵鏡面反射而未被衍射，該分光計包含一反射元件，以將從分路來的反射光反射回光柵上；偏振旋轉(zhuǎn)元件被設(shè)置成在光從光柵反射出來到回到光柵的過程中，基本正交地旋轉(zhuǎn)反射光的偏振方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的分光計，包括一個偏振敏感分光元件，第一光路內(nèi)包含該分光元件對于第一偏振成分的第一輸出，第二光路從分光元件的第二輸出連通至光柵，第一光路的一部分和第二光路從分光元件連通至光柵，且由至少一個偏振旋轉(zhuǎn)元件產(chǎn)生的偏振旋轉(zhuǎn)量彼此不同，因此使得兩個偏振成分均以平行于主方向的偏振方向到達光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4的分光計，包括用于檢測被光柵衍射的光的檢測器，其中，第一光路和第二光路被設(shè)置成使得分光計將入射光的第一偏振成分的每一波長成分都投影到檢測器上，該投影位置與分光計將入射光的第二偏振成分的對應(yīng)波長成分投影的位置基本相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4的分光計，包括用于檢測被光柵衍射的光的檢測器，其中，光路被設(shè)置成使得在光柵衍射后，分光計將入射光的第一偏振成分的各波長成分投影到一系列位置，該一系列位置以能夠被檢測到的方式區(qū)分于分光計將入射光的第二偏振成分的各波長成分投影到的其它位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的分光計，包括在光柵與檢測器之間的偏振濾光器，該濾光器的取向被設(shè)置，以阻擋衍射光中偏振方向與主方向垂直的成分。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的分光計，包括用于檢測被光柵衍射的光的檢測器，該檢測器被設(shè)置成使得在與光柵平面基本垂直的方向，在一個所關(guān)心的波長范圍內(nèi)發(fā)生第一級衍射，檢測器被定位以接收在包含或臨近于該垂直方向的一系列方向上衍射的光。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的分光計，該分光計被設(shè)置成使得當入射光被衍射時，入射光以一個掠射角入射到光柵上。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的分光計，其中，光柵周期與光在光柵上的入射角的值具有選定的數(shù)值，使得在一個所關(guān)心的波長范圍內(nèi)，除第一級衍射以外，基本不可能有依賴于波長的衍射。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的光學分光計，其中，光柵的類型是在主方向上，入射到光柵上的光的電場矢量與光柵刻線基本垂直。
12.一種對光進行光譜分析的方法，該方法包括接收入射光；使用光柵對入射光進行衍射，光柵具有一個主方向，使得當偏振光的偏振方向與主方向平行時，偏振光被以最大效率衍射；從入射光的剩余部分中分離出入射光的至少一部分，使得對于入射光的第一偏振成分的分光效率高于入射光的第二偏振成分的分光效率；將該分離出的部分導向光柵，使得當該分離出的部分被光柵衍射時，該分離出的部分中第一偏振成分的方向至少與主方向平行一次，并且，將入射光的剩余部分導向光柵，使得當該剩余部分被光柵衍射時，該剩余部分中第二偏振成分的方向至少與主方向平行一次。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述的分光是通過將入射光導向光柵，并在從光柵鏡面反射的方向上接收分離出的部分來實現(xiàn)的，該分離出的部分被導回光柵，以便沿著含有一偏振旋轉(zhuǎn)元件的光路產(chǎn)生衍射，該偏振元件在所述光路中將該分離出的部分的偏振方向正交地旋轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，該分離出的部分沿著來自光柵的光路折返并被反射回光柵，使得該分離出的部分往復通過偏振旋轉(zhuǎn)元件，在該往復通過的過程中，偏振旋轉(zhuǎn)元件對該分離出的部分的偏振方向進行旋轉(zhuǎn)，每次轉(zhuǎn)過所述正交旋轉(zhuǎn)的一半。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述的分光是通過在入射光到達光柵之前使用偏振分光元件實現(xiàn)的，該分離出的部分與剩余部分分別通過第一和第二光路被導向光柵，至少第一光路包含一偏振旋轉(zhuǎn)元件，以便相對于該剩余部分正交地旋轉(zhuǎn)該分離出的部分的偏振方向。
全文摘要
使用光柵對入射光衍射從而進行光譜分析。至少入射光的一部分被分離，使得該部分主要包含入射光的某一部分偏振光。保證該分離部分與入射光的剩余部分以與偏振的主方向平行的方向到達光柵，此時光柵的衍射效率最高。出于該目的，當通過一個偏振旋轉(zhuǎn)元件后，至少被分離的那部分被衍射。
文檔編號G01J3/18GK1650151SQ02829479
公開日2005年8月3日 申請日期2002年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月12日
發(fā)明者格溫·揚·普佩爾斯 申請人:河流診斷公司