超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置及方法，該裝置包括光源系統(tǒng)、會聚鏡、準直鏡、樣品架、光信號接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)等。其特點是光源采用具有穩(wěn)定的高輸出功率、發(fā)射波長連續(xù)且發(fā)射光譜帶寬大于30nm的LED光源；采用具有高波長準確度與高光譜分辨率的激光波長計作為光信號接收器，利用計算機進行數(shù)據(jù)分析處理，最終獲得超窄帶濾光片的透射率光譜曲線。這種裝置結構簡單實用，造價低，其測量方法簡便可靠快捷，與傳統(tǒng)分光光度計相比其波長精度和光譜分辨率均更高，能夠更為準確地反映超窄帶濾光片的實際光譜性能，特別適用于帶寬在0.1～1nm范圍內的超窄帶濾光片的光譜帶寬測量與中心波長定位。
【專利說明】超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種濾光片的透射率光譜測量裝置，具體涉及一種超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置及測量方法，該裝置主要用于測量帶寬在0.1?Inm范圍內的超窄帶濾光片的光譜帶寬與中心波長。

【背景技術】
[0002]窄帶濾光片作為濾光和選擇譜線的光學元件，在激光技術、生物、醫(yī)療、衛(wèi)星遙感探測以及光通訊乃至量子通訊技術中有著廣泛的應用。近年來，隨著上述技術的發(fā)展，窄帶濾光片更是向著超窄帶的需求方向發(fā)展。目前常見的窄帶濾光片其帶寬通常大于5nm，其透射率光譜的測量采用傳統(tǒng)的分光光度計即可滿足測量要求。當超窄帶濾光片的帶寬小于Inm時，若繼續(xù)采用傳統(tǒng)的分光光度計則會帶來較大的測量誤差，尤其是中心波長定位的偏差。因為目前市場上用于科研與生產的分光光度計中，代表著先進技術指標的PerkinElmer的 Lambda 1050、Agilent 的 Cary 6000,Hitachi 的UH5300和 SHIMADZU 的 SolidSpec-3700型號等分光光度計，它們的波長精度和光譜分辨率均劣于0.08nm，故不能滿足帶寬小于Inm的超窄帶濾光片的光譜精確測量。另外，即使將上述分光光度計狀態(tài)調整到極限波長精度時的0.lnm，此時分光光度計的入射光狹縫太窄、入射光通量降低、到達探測器的光信號減弱，大大降低了光譜測量的信噪比。
[0003]采用具有高波長準確度和高光譜分辨率的激光波長計作為光信號接收系統(tǒng)，能夠大大提高光譜測量的波長精度，從而克服上述分光光度計的波長定位誤差。另外，相對于單波長激光器而言，米用LED光源作為入射光光源,其優(yōu)點在于LED的發(fā)射光譜在標稱輸出波長處具有較寬的帶寬，利用該光源進行測量時，能夠一次性、直觀、準確地反映出濾光片的實際中心波長與理論設計的位置偏差，從而更好地在濾光片的設計與制備過程中起到指導意義。若需要測量激光波長計所覆蓋波段的其它中心波長的超窄帶濾光片，只需將LED光源更換為標稱輸出波長與之相對應的LED光源即可。最后，值得指出的是，該測量裝置結構簡單、搭建容易，造價低，其測量方法簡便可靠快捷。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明旨在克服上述傳統(tǒng)分光光度計測量超窄帶濾光片透射率光譜時存在波長準確度差和光譜分辨率低等不足，提供一種結構簡單實用、造價低廉的超窄帶濾光片透射率測量裝置及測量方法，并用該裝置進行超窄帶濾光片的透射率光譜測量，使測量結果更為準確地表征出超窄帶濾光片的中心波長位置和光譜帶寬等光譜特性。
[0005]本發(fā)明通過以下技術方案加以實現(xiàn):一種超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置，包括光源系統(tǒng)1、會聚鏡2、準直鏡3、樣品架4、光信號接收系統(tǒng)5和數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)6，光源系統(tǒng)發(fā)射的光依次經過會聚鏡和準直鏡后垂直照射在垂直放置在樣品架上的被測超窄帶濾光片上，經濾光片透射后被光信號接收系統(tǒng)所接收并轉換成電信號，然后輸入到數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)，經過數(shù)據(jù)分析處理得到濾光片的透射率光譜曲線。
[0006]該裝置的光源系統(tǒng)I采用一只發(fā)射光波長連續(xù)、發(fā)射光光譜帶寬大于30nm的LED光源。
[0007]該裝置的光信號接收系統(tǒng)5為一個適用于連續(xù)波長的激光波長計，該激光波長計的響應波段覆蓋上述LED光源的發(fā)射光光譜帶寬，波長準確度優(yōu)于0.0lnm，光譜分辨率優(yōu)于 0.005nm。
[0008]利用該測量裝置進行超窄帶濾光片透射率光譜測量的方法是:首先啟動光源系統(tǒng)1、光信號接收系統(tǒng)5和數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)6 ;等上述系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，保持樣品架為空，以空氣為背景對背景信號進行采集，并得到一組作為樣品測量基準的光能量隨波長變化的基準數(shù)據(jù)；接下來將被測超窄帶濾光片置于樣品架上，對被測濾光片進行透射信號采集得到光能量隨波長變化的第二組數(shù)據(jù)；最后通過數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)將第二組數(shù)據(jù)除以上面的基準數(shù)據(jù)，即可獲得所測超窄帶濾光片的透射率光譜曲線，從該曲線進而被測超窄帶濾光片的光譜帶寬和中心波長。
[0009]本發(fā)明測量裝置采用具有高波長準確度和高光譜分辨率的激光波長計作為光信號接收系統(tǒng)，能夠大大提高光譜測量的波長精度，從而克服上述分光光度計的波長定位和帶寬確定等誤差問題，使測量結果更能反映出超窄帶濾光片的真實光譜性能。采用波長連續(xù)、具有一定帶寬的LED光源作為入射光光源，能夠一次性、直觀、準確地反映出濾光片的實際中心波長與理論設計的位置偏差，從而更好地在濾光片的設計與制備過程中起到指導意義。此外，本發(fā)明測量裝置結構簡單、搭建容易，制造成本低廉，其測量方法簡便、可靠、快捷、容易操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明超窄帶濾光片光譜測量裝置的光路原理系統(tǒng)示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明【具體實施方式】中LED光源系統(tǒng)的發(fā)光光譜圖。

【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0013]如圖1所示，本測量裝置主要由光源系統(tǒng)1、會聚鏡2、準直鏡3、樣品架4、光信號接收系統(tǒng)5和數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)6組成，且光源系統(tǒng)、會聚鏡、準直鏡、樣品架和光信號接收系統(tǒng)構成本測量裝置的整個光路系統(tǒng)。將該光路系統(tǒng)放置在一個自由光學平臺上。為了使測量裝置能夠有效收集到超窄帶濾光片的透射光信號，調整光源系統(tǒng)、會聚鏡、準直鏡、樣品架和光信號接收端口的位置，使他們處于同一水平光軸上；調整會聚鏡的位置，使其透射光束會聚于上述水平光軸上的一點；然后將準直鏡從會聚鏡的焦點位置向后移動與其焦距等長的距離，使其焦點位置與會聚鏡的焦點位置完全重合；將樣品架放置并固定于準直鏡和光信號接收系統(tǒng)之間，樣品垂直放置在樣品架上的中心位置，待測樣品尺寸需遠遠大于光斑尺寸。
[0014]所述光源系統(tǒng)采用Thorlabs公司的M530L3型號LED光源，該光源輸出功率為370mW，所需正向偏壓為3.2V，標稱波長為530nm，發(fā)射光光譜帶寬為33nm，其發(fā)射光光譜圖如圖2所示。
[0015]光信號接收系統(tǒng)為一個適用于連續(xù)激光的激光波長計，采用Coherent (相干)公司的WaveMaster激光波長計，該激光波長計的響應波段為380?1095nm，波長準確度為
0.005nm,光譜分辨率為0.0Olnm,功率響應靈敏度最低達到20 μ W。
[0016]本測量裝置的數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)為一臺計算機，光信號接收系統(tǒng)的輸出端與之相連接。
[0017]測試前，應先檢查測量裝置的光路是否對準，首先啟動光源系統(tǒng)和信號收集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，大約10分鐘后待整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；用白紙垂直放置于水平光軸上聚焦透鏡的焦點位置附近，左右移動白紙至光斑尺寸最小為止并記錄下該焦點位置，測量并確定該聚焦位置與準直鏡之間的距離等于準直鏡的焦距長度；將上述白紙垂直放置在樣品架待放樣品處，觀察光斑是否處于樣品架中心位置且光斑尺寸遠小于樣品尺寸；然后保持樣品架為空，將上述白紙垂直放置在光信號接收系統(tǒng)的信號接收端口，檢驗入射光是否被完全接收且光斑是否處于該端口的中心位置。待光路完全校準后，保持樣品架為空，以空氣為背景對背景信號進行第一次采集，并得到一組作為樣品測量基準的光能量隨波長變化的基準數(shù)據(jù)；然后繼續(xù)保持樣品架為空，將空氣作為待測樣品并進行第二次光信號采集；通過數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)將第二次采集的數(shù)據(jù)除以第一次采集的基準數(shù)據(jù)，即為空氣的透射率值，并將該透射率值與空氣的理論透射率值100%做對比，以確定測量誤差是否在可控范圍內。當確定該測量誤差足夠小后，按照以下方法步驟進行532nm超窄帶濾光片透射率光譜測試:(1)保持樣品架為空，以空氣為背景對背景信號進行采集，并得到一組作為樣品測量基準的光能量隨波長變化的基準數(shù)據(jù)；(2)將被測532nm超窄帶濾光片垂直放置在樣品架上，對被測濾光片進行透射信號采集得到光能量隨波長變化的第二組數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)將將(去掉一個)第二組數(shù)據(jù)除以上面的基準數(shù)據(jù)，即可獲得所測532nm超窄帶濾光片的透射率光譜曲線，從而獲得該532nm超窄帶濾光片的光譜帶寬和中心波長。
【權利要求】
1.一種0.1?Inm超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置，它包括光源系統(tǒng)(I)、會聚鏡(2)、準直鏡(3)、樣品架(4)、光信號接收系統(tǒng)(5)和數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)￠)，其特征在于: 光源系統(tǒng)(I)發(fā)射的光依次經過會聚鏡(2)和準直鏡(3)后垂直照射在垂直放置在樣品架(4)上的被測超窄帶濾光片上，經濾光片透射后被光信號接收系統(tǒng)(5)所接收并轉換成電信號，然后輸入到數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)出)，經過數(shù)據(jù)分析處理得到濾光片的透射率光譜曲線。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種0.1?Inm超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置，其特征在于:所述的光源系統(tǒng)(I)米用一只發(fā)射光波長連續(xù)、發(fā)射光光譜帶寬大于30nm的LED光源。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種0.1?Inm超窄帶濾光片的透射率光譜測量裝置，其特征在于:所述的光信號接收系統(tǒng)(5)為一個適用于連續(xù)波長的激光波長計，該激光波長計的響應波段覆蓋上述LED光源的發(fā)射光光譜帶寬，波長準確度優(yōu)于0.0lnm,光譜分辨率優(yōu)于 0.005nm。
4.一種基于權利要求1所述裝置的超窄帶濾光片的透射率光譜測量方法，其特征在于方法如下:首先啟動光源系統(tǒng)(I)、光信號接收系統(tǒng)(5)和數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)(6);等上述系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，保持樣品架為空，以空氣為背景對背景信號進行采集，并得到一組作為樣品測量基準的光能量隨波長變化的基準數(shù)據(jù)；接下來將被測超窄帶濾光片置于樣品架上，對被測濾光片進行透射信號采集得到光能量隨波長變化的第二組數(shù)據(jù)；最后通過數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)將第二組數(shù)據(jù)除以上面的基準數(shù)據(jù)，即可獲得所測超窄帶濾光片的透射率光譜曲線，從該曲線進而獲得被測超窄帶濾光片的光譜帶寬和中心波長。
【文檔編號】G01J3/28GK104180901SQ201410403279
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權日:2014年8月15日
【發(fā)明者】馬小鳳, 劉定權, 王曙光, 蔡清元, 陳剛, 張莉, 朱佳琳 申請人:中國科學院上海技術物理研究所