有序孔阵列透射式波长计及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种有序孔阵列透射式波长计及其测量方法。波长计为平行光源（１）的入射角与由透明衬底（２）和其孔阵列周期为２００ｎｍ～２０μｍ的有序孔阵列（３）构成的半透镜相垂直，半透镜或平面镜位于移动台上，平面镜为位于透明衬底（２）的附有有序孔阵列（３）的一侧的显示屏（５），其与有序孔阵列（３）间的距离为２０ｃｍ～１ｍ；方法为设定测量的精度，即选择有序孔阵列与显示屏间的距离，根据显示屏上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列的孔阵列周期幅度的增减，测量显示屏上的衍射斑点或衍射环的半径，通过公式λ＝２ａｍ／＊确定波长。它能测量光谱范围从几十纳米到几十微米的入射光的波长，且精度适中，可广泛用于科学研究和工程技术领域中的实时和在线测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种波长计及测量方法，尤其是有序孔阵列透射 式波长计及其测量方法。
技术介绍
光的干涉现象在科学研究和工程技术上的应用很广，除了可 以测定长度、长度的微小改变以及检验表面的磨光程度以外，还有很多其他 方面的应用。如在光谱学中，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。作为实现其功能的波长计，迈克尔孙(Michelson)干涉仪是其中之一， 如在中国髙等教育出版社1982年12月第4版的《普通物理学》(1982年修 订本)第3册第28 29页中所介绍的。其基本构造如图l所示，平行光源S 的光路上依次置有与其呈45度角设置的两块材料相同、厚薄均匀且相等的平 行玻璃片(Gi、 GJ，以及位置固定的平面反射镜Mi，其中玻璃片G,的一个表 面上镀有半透明的薄银层；坡璃片01未镀薄银层一面的光路上置有螺旋控制 其移动的平面反射镜M2、背面的光路为视场E;图中的虛线为设想镀银层所 形成的M,的虛像Mr。测量时，待测平行光S射在玻璃片Gi上，折入G,的光 线， 一部分在薄银层上反射，向M2传播，如图1中所示的光线B，经M2反射 后，再穿过Gi向视场E处传播，如图1中所示的光线B';另一部分穿过薄银 层及&2,向M,传播，如图1中所示的光线A，经M,反射后，再穿过G2，经薄 银层反射，也向视场E处传播，如图1中所示的光线A';在视场E处可以看 到干涉条紋，由公式入-2Ad/An可得出待测平行光S的波长，式中Ad为 M2的平移距离、Ad为视场E中明条紋移动的数目。这种波长计虽有着测量 精度极高的优点，但却存在着不足之处，首先，结构复杂、部件多，各部件 加工精度和相互间配合精度的要求极高，使得制造的成本极为髙昂，无法实 现大范围的普及应用；其次，对使用环境的要求较高，需于稳定的工作环境 下方能可靠地进行测量，既不利于动态测量和实时检测，更不利于极端条件 下的测量；再次，体积庞大，难以到现场进行实时的监测。而在现实中，许 多应用领域并不需要极髙测量精度的波长计，如矿井、海底和太空等作业中 的波长测量。为此，人们试图对迈克尔孙式干涉仪进行改进，以降低制造和使用的成本。然而，无论是提高环境稳定性还是实现动态测量，都将进一步 增大成本，而降低成本则将极大的降低测量的精度，甚至使其无法正常的工 作。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提 供一种结构简单、精度适中、成本低廉，使用方便的有序孔阵列透射式波长 计及其测量方法。有序孔阵列透射式波长计包括平行光源和其光路上的半透镜和平面镜，以及移动台，特别是(a)所说平行光源的入射角与所说半透镜相垂直；(b) 所说半透镜或平面镜位于移动台上；(c)所说半透镜由透明衬底和有序孔阵 列构成，所说有序孔阵列的孔阵列周期为200nm 20nm; (d)所说平面镜 为显示屏，所说显示屏位于所说透明衬底的附有有序孔阵列的一侧，且与所 说有序孔阵列间的距离为20cm lm。作为有序孔阵列透射式波长计的进一步改进，所述的有序孔阵列为二维 多畴有序孔阵列，其层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列；所述的显示屏为漫反射屏幕或光敏传感器，所说漫反射屏幕或光敏传感器位于移动台上， 且与有序孔阵列平行设置；所述的光敏传感器的输出端与控制器的输入端电连接；所述的移动台包含工作平台和与其动配合连接的导轨，以及连接工作平台与导轨的丝杠螺母付，所说丝杠螺母付中的螺母与工作平台固定连接，丝杠与导轨动配合连接；所述的移动台的丝杠轴与步进电机的转动轴连接； 所述的步进电机的输入端与步进电机电源的输出端电连接；所述的步进电机 电源的输入端与控制器的输出端电连接。有序孔阵列透射式波长计的测量方法包括接收平行光和输出干涉光，特 别是所说方法包含以下步骤(a)设定测量的精度，即选择有序孔阵列与显 示屏间的距离；(b)根据显示屏上有无衍射斑点或衍射环，确定有序孔阵列 的孔阵列周期幅度的增减，即对于显示屏上无衍射斑点或衍射环时，选择更 大周期的有序孔阵列，对于显示屏上衍射斑点或衍射环太小，无法测量时， 选择更小厨期的有序孔阵列；(c)测量显示屏上的衍射斑点或衍射环的半径；(d)通过公式A-^2^确定波长，式中，入为入射光波长、2a为有V附2 +/2序孔阵列中相邻两孔的间距、m为衍射斑点或衍射环的半径、1为有序孔阵列与显示屏间的距离。作为有序孔阵列透射式波长计的测量方法的进一步改进，所述的根据公定测量的精度。相对于现有技术的有益效果是，其一，基于光透过有序孔阵列时的透射 干涉原理，将平行光源的入射角与由透明衬底和有序孔阵列构成的半透镜相 垂直，显示屏位于所说透明衬底的附有有序孔阵列的一侧，使入射的平行光 源经有序孔阵列衍射后在显示屏上形成了衍射花样，既为波长的测量奠定了 物质基础，实现了对入射光波长的测量，又具有结构简单、体积小、造价低、 工作稳定可靠的特点，还对使用环境无任何特殊要求，使其极适于各种环境中的实时和在线测量，尤为能用于极端条件下的波长测量；其二，有序孔阵列的孔阵列周期选定为200nm 20Mm,实现了对光谱范围从几十纳米到几十 微米的入射光波长的测量，即可对从红外、可见到紫外光波段的入射光均能 有效地进行测量；其三，将半透镜或平面镜置于移动台上，并使显示屏与有 序孔阵列间的距离设定为20cm lm,不仅便于波长的测量，还使整机精度的定位准确适中，通过调节显示屏与有序孔阵列间的距离可实现不同精度的波 长测量，从而满足了不同应用领域对波长测量精度的要求；其四，测量方法 的步骤简洁、针对性强，且原理科学客观并可行，测定的波长数据真实可靠， 测量的精度可人为地根据需要自行设定，使用起来极为方便、快捷。作为有益效果的进一步体现，一是有序孔阵列优选二维多畴有序孔阵列， 其层数为一层，孔形为圆孔、且呈六方排列，除可大大地降低有序孔阵列的 制造成本之外，还使经其透射后衍射于显示屏上的衍射花样为易于测量的衍 射环；二是显示屏为漫反射屏幕或光敏传感器，它被置于移动台上，且与有序孔阵列平行设置，使得显示屏与有序孔阵列间的距离易于调节，且显示屏 上呈现的衍射花样不会发生形变，采用光敏传感器大大地提高了本专利技术波长计的自动化程度；三是移动台采用工作平台和与其动配合连接的导轨，以及式= JO"zl和，得出测误差，变更测量的精度，则重新设连接工作平台与导轨的丝杠螺母付的结构，使其结构简单、运行平稳可靠；四是移动台的丝杠轴与步进电机的转动轴连接，进一步提升了本专利技术波长计长计的剥量误差，测量者根据误差值可判定能否满足测量的精度要求，为进 而釆取相应措施奠定了基础。附图说明下面结合附图对本专利技术的优选方式作进一步详细的描述。图1是现有技术迈克尔孙干涉仪的基本结构示意图； 图2是本专利技术波长计的一种基本结构示意图；图3是对基于单层胶体晶体合成的有序孔阵列用美国FEI SiHon 200 型场发射扫描电子显微镜进行观察后摄得的多张扫描电镜(FESEM )照片中的 4张，其中，图3a为使用直径为lOOOnm的胶体球，利用单分散性胶体溶液 合成的单层有序孔阵列的FESEM图像；图3b为使用直径为1000nm的胶体球， 釆用硝酸铁溶液浸渍法而获得的氧化铁的有序孔阵列的FESEM图像；图3c 为使用直径为800mn的胶体球本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有序孔阵列透射式波长计，包括平行光源（１）和其光路上的半透镜和平面镜，以及移动台，其特征在于：（ａ）所说平行光源（１）的入射角与所说半透镜相垂直；（ｂ）所说半透镜或平面镜位于移动台上；（ｃ）所说半透镜由透明衬底（ ２）和有序孔阵列（３）构成，所说有序孔阵列（３）的孔阵列周期为２００ｎｍ～２０μｍ；（ｄ）所说平面镜为显示屏（５），所说显示屏（５）位于所说透明衬底（２）的附有有序孔阵列（３）的一侧，且与所说有序孔阵列（３）间的距离为２０ｃｍ～１ｍ 。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段国韬，蔡伟平，李越，罗媛媛，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]