CN101261181A - 一种用于测量高反射率的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测量高反射率的装置，其中：光电探测器将光信号转换后的电信号由数据采集卡记录并输给计算机处理及存储，计算机同时控制数据采集卡的采集参数；其特征在于：入射腔镜和出射腔镜与平面高反镜共同构成稳定的初始衰荡腔，入射腔镜和平面高反镜构成初始衰荡腔的入射臂，出射腔镜和平面高反镜构成初始衰荡腔的出射臂；测试时，光源发出的光束经匹配透镜进入衰荡腔，会聚透镜和光电探测器置于平面高反镜后探测光腔输出信号，由光腔衰荡技术测得初始腔衰荡时间τ₁，在出射臂插入待测平面镜，调节出射腔镜，形成稳定的测试腔，同理可测得测试腔衰荡时间τ₂；计算可得待测平面镜反射率；本发明所改进的装置稳定性好、测量精度高、容易调节，适合开发高反射率测量仪器。

Description

一种用于测量高反射率的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量光学元件参数的装置，特别涉及一种用于测量高反射率的装置。

背景技术

高反射率光学元件在激光系统中的广泛使用迫切要求精确测量高反射率，而传统方法(如分光光度法)无法满足高反射率的测量精度要求。中国专利申请号98114152.8，公开号CN1242516A，公开日期2000年1月26日的发明专利公开了“一种反射镜高反射率的测量方法”，采用脉冲激光系统作光源，入射到两块高反镜组成的光学谐振腔，光电探测器在出射腔镜后接收光腔指数衰减信号，分别确定直腔衰荡时间τ₁和折叠腔衰荡时间τ₂，计算得到待测镜的反射率R。该方法的缺点是：由于脉冲激光光束质量差、衰荡腔内存在模式竞争等因素，测量精度受到限制；而且，由于所使用的脉冲激光系统造价高，不利于推广使用。中国专利申请号200610011254.9，公开号CN1804572A，公开日期2006年7月19日的发明专利提供了“一种高反镜反射率的测量方法”；2006年9月出版的《中国激光》，龚元，李斌成，第33卷第9期1247-1250页，公开了一种“连续激光光腔衰荡法精确测量高反射率”的方法，它们都提出了一种以连续半导体激光器作光源的高反射率测量方法，用方波调制连续激光，采用锁相方式探测输出信号的振幅衰减和相位延迟，从而得到光腔衰荡时间和高反镜反射率。该方法装置简单、成本低，但激光功率耦合进衰荡腔的效率较低，当腔镜反射率提高到一定程度后，光腔输出信号振幅较小，信噪比下降，使得装置调节比较困难，而且限制了可测最高反射率和测量精度。中国专利申请号200610165082.0，公开号CN1963435A，公开日期2007年5月16日的发明专利“高反镜反射率的测量方法”使连续激光沿衰荡腔光轴入射，当光腔衰荡信号幅值大于设定的阈值时触发关闭激光束，探测指数衰减信号并拟合得到腔镜和测试镜的反射率。该方法装置简单，精度高，但对整个系统的准直要求很高，且必须对腔镜进行精密调节。

上述现有技术所涉及到的测量高反射率的装置的初始衰荡腔都采用直腔构型，插入待测平面镜后形成的折叠腔作为测试衰荡腔；光电探测器接收从出射腔镜输出的激光束用于测量衰荡时间和反射率；实际应用中，为了减小腔长测量引入的高反射率测量误差，一般采用较长的衰荡腔，此时直腔作为初始腔将不便于系统集成；在已有的基于光腔衰荡技术的高反射率测量仪器中，光腔衰荡信号通过将出射腔镜输出的光信号经会聚透镜聚焦到一光电探测器上进行探测，一般将出射腔镜、会聚透镜和光电探测器安装在同一底座上，便于在直腔和折叠腔之间切换时同时移动三者；这样一个整体的重量较大，三者集成在一起不仅提高了系统成本，而且不利于直腔/折叠腔切换时光路的精确对准调节；同时，探测器的电源线、信号线在移动时也会造成不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中直腔/折叠腔切换时给系统带来的不足，提供一种初始衰荡腔为折叠腔的测量高反射率的装置，该装置稳定性好、方便调节和测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于测量高反射率的装置，其中：光电探测器7将光信号转换成的电信号，由数据采集卡8记录并输入计算机9处理及存储，计算机9控制数据采集卡8的采样率、采集数据点长度以及采集电压最大幅值；其特征在于：入射腔镜3和出射腔镜5与平面高反镜4共同构成稳定的光学谐振腔作为初始衰荡腔，入射腔镜3和平面高反镜4位于同一直线上，构成初始衰荡腔的入射臂，出射腔镜5和平面高反镜4位于另一条直线上，构成初始衰荡腔的出射臂，总腔长为L，入射臂和出射臂之间的夹角为θ；测试时，由光源1发出的光束经匹配透镜2进入上述衰荡光腔，会聚透镜6和光电探测器7置于平面高反镜4后搜集和探测出射的光束；由光腔衰荡技术探测并通过计算机9拟合得到初始腔衰荡时间τ₁；然后在出射臂插入待测平面镜14，调节出射腔镜5，形成稳定的测试腔，再由光腔衰荡技术探测并通过计算机9拟合得到测试腔衰荡时间τ₂；通过待测平面高反镜的反射率公式计算，便可得到待测平面高反镜的反射率。

所述光源1可采用光强可调制的连续半导体激光器，此时函数发生卡10与计算机9相连，计算机9控制函数发生卡10的调制频率、调制振幅以及偏置电压，函数发生卡10输出的方波函数用于调制光源1所采用的半导体激光器的激励电压；光源1也采用脉冲激光器，此时不需要函数发生卡10调制光源1，光源1直接输出激光脉冲。

所述的光源1的激光波长若不在可见波段，则利用反射镜12和分光镜13引入准直光束激光器11发出的可见激光束，用于调节衰荡腔。

所述的会聚透镜6和光电探测器7搜集和探测平行于入射臂方向或出射臂方向的出射激光束或同时搜集和探测两个方向的出射激光束。

所述的入射臂比出射臂短，两者之间的夹角θ满足5°≤θ≤45°。

所述的入射腔镜3的反射率R₁和平面高反镜4的反射率R₂满足0.998≤R₁≤0.9999，0.998≤R₂≤0.9999，出射腔镜5的反射率R₃满足R₃≥0.9995，并且出射腔镜5的反射率R₃高于入射腔镜3的反射率R₁和平面高反镜4的反射率R₂。

所述在出射臂插入待测平面镜14后所形成的测试角度α，即插入的待测平面镜14的法线方向与初始衰荡腔出射臂的夹角α为1～85度。

本发明与现有技术相比所具有的优点：本发明所改进的装置通过引入一块平面高反镜，与两块分别作为入射腔镜和出射腔镜的平凹腔镜共同构成的折叠腔作为初始衰荡腔，然后在出射臂插入待测平面镜，调节出射腔镜，形成稳定的测试腔，这种衰荡腔构型缩小了系统的体积；光腔衰荡信号改由对平面高反镜出射的光信号经聚焦后由光电探测器探测，这样在插入待测镜以后仅需移动出射腔镜便可形成稳定的测试腔，减少了高反射率测量过程中需要移动的元件数量，提高了测量系统的稳定性；而且作为激光输出镜的平面高反镜在测量过程中无需调节，出射腔镜单独存在，容易调节。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的基于连续半导体激光器的高反射率测量装置示意图；

图2为本发明的光电探测器搜集输出激光束的示意图；

图3为本发明的基于脉冲激光器的高反射率测量装置示意图；

图中：1为光源、2为匹配透镜、3为入射腔镜、4为平面高反镜、5为出射腔镜、6为会聚透镜、7为光电探测器、8为数据采集卡、9为计算机、10为函数发生卡、11为准直光束激光器、12为反射镜、13为分光镜，图中的粗线表示光路，细线表示信号线相连；A表示平行于入射臂方向的出射激光束，B表示平行于出射臂方向的出射激光束。

具体实施方式

下面详细介绍一种以连续半导体激光器作为光源的高反射率测量装置。

当光源1采用光强可调制的连续半导体激光器，测量方案采用基于半导体激光器自混合效应的指数衰减探测方式；调制的连续半导体激光器作光源时，也可采用锁相放大器探测幅频、相频曲线并拟合得到衰荡时间和反射率；匹配透镜2使光源1输出的激光束与衰荡腔模式匹配，当光源1输出的激光束发散角不太大时，可以去除匹配透镜2；入射腔镜3和出射腔镜5采用平凹高反镜，两块腔镜和一块平面高反镜4构成折叠腔并作为初始衰荡腔，入射腔镜3和平面高反镜4位于同一直线上，构成初始衰荡腔的入射臂，出射腔镜5和平面高反镜4位于另一条直线上，构成初始衰荡腔的出射臂，从平面高反镜4透射的激光束由透镜6会聚到光电探测器7，光电探测器7同时将光信号转化成电信号，转换后的电信号由数据采集卡8记录并输入计算机9处理及存储，计算机9控制数据采集卡8的采样率、采集数据点长度以及采集电压最大幅值等参数，以及函数发生卡10的调制频率、调制振幅以及偏置电压等参数，函数发生卡10输出的方波函数用于调制半导体激光器激励电压；若光源1的激光波长不在可见波段，则利用反射镜12和分光镜13引入准直光束激光器11发出的可见激光束，用于调节衰荡腔，其装置如图1所示。

下面介绍基于连续半导体激光器的高反射率测量装置采用基于半导体激光器自混合效应的指数衰减探测方式测量待测平面高反镜的反射率，具体步骤如下：首先激光束进入由入射腔镜3、出射腔镜5和一块平面高反镜4构成的稳定的初始衰荡腔，总腔长为L，调节入射腔镜3和出射腔镜5，使其反射光沿原光路返回，由光电探测器7探测光腔衰荡信号，通过计算机9拟合得到初始衰荡腔的衰荡时间τ₁，然后在出射臂上按所需测量的入射角度插入待测平面高反镜14，如图1所示，移动出射腔镜5使得再次形成稳定谐振腔，此谐振腔作为测试衰荡腔；再由光电探测器7探测光腔衰荡信号，通过计算机9拟合得到测试腔的衰荡时间τ₂；若插入待测平面高反镜14后保持腔长不变，则待测镜平面高反镜14的反射率由R_x＝exp(L/cτ₁-L/cτ₂)计算得到；若插入待测平面高反镜14后总腔长变为L₂，则待测平面高反镜14的反射率由R_x＝exp(L/cτ₁-L₂/cτ₂)计算得到，其中：c为光速。

会聚透镜6和光电探测器7可搜集和探测平行于入射臂方向的出射激光束，或搜集和探测平行于出射臂方向的出射激光束，或同时搜集和探测以上两个方向的出射激光束，如图2所示；由于在构成测试腔时，在出射臂上插入待测镜14，因此要求衰荡腔的入射臂比出射臂短，为了压缩系统体积，要求入射臂和出射臂之间的夹角θ满足5°≤θ≤45°；插入待测平面高反镜的测试角度α，即插入的待测平面高反镜法线方向与初始衰荡腔出射臂的夹角α，满足1°≤α≤85°，为了得到较长的衰荡时间和较大的衰荡信号，要求入射腔镜3和平面高反镜4反射率满足0.998≤R₁≤0.9999，0.998≤R₂≤0.9999，出射腔镜5的反射率R₃满足R₃≥0.9995，并且高于入射腔镜3的反射率R₁和平面高反镜4的反射率R₂，越高越好。

光源1还可以采用脉冲激光器，对应的测量方式为指数衰减探测，此时不需要函数发生卡10来调制脉冲激光器，光源1直接输出激光脉冲；其余部分连接与基于连续半导体激光器的测量装置相同，其装置如图3所示；本装置测量待测平面高反镜反射率的具体步骤与基于脉冲激光器的高反射率测量装置用于测量待测平面高反镜的反射率的具体过程相同；各组件的参数性能及要求均与基于脉冲激光器的高反射率测量装置中对应组件的参数性能及要求相同。

Claims (8)

1、一种用于测量高反射率的装置，其中：光电探测器(7)将光信号转换成的电信号，由数据采集卡(8)记录并输入计算机(9)处理及存储，计算机(9)控制数据采集卡(8)的采样率、采集数据点长度以及采集电压最大幅值；其特征在于：入射腔镜(3)和出射腔镜(5)与平面高反镜(4)共同构成稳定的光学谐振腔作为初始衰荡腔，入射腔镜(3)和平面高反镜(4)位于同一直线上，构成初始衰荡腔的入射臂，出射腔镜(5)和平面高反镜(4)位于另一条直线上，构成初始衰荡腔的出射臂，总腔长为L，入射臂和出射臂之间的夹角为θ；测试时，由光源(1)发出的光束经匹配透镜(2)进入上述衰荡光腔，会聚透镜(6)和光电探测器(7)置于平面高反镜(4)后搜集和探测出射的光束；由光腔衰荡技术探测并通过计算机(9)拟合得到初始腔衰荡时间τ₁；然后在出射臂插入待测平面高反镜(14)，调节出射腔镜(5)，形成稳定的测试腔，再由光腔衰荡技术探测并通过计算机(9)拟合得到测试腔衰荡时间τ₂；通过待测平面高反镜的反射率公式计算，便可得到待测平面高反镜的反射率。

2、根据权利要求1所述的一种用于测量高反射率的装置，其特征在于：光源(1)可采用光强可调制的连续半导体激光器，此时函数发生卡(10)与计算机(9)相连，计算机(9)控制函数发生卡(10)的调制频率、调制振幅以及偏置电压，函数发生卡(10)输出的方波函数用于调制光源(1)所采用的半导体激光器的激励电压。

3、根据权利要求1所述的一种用于测量高反射率的装置，其特征在于：光源(1)也可采用脉冲激光器，此时不需要函数发生卡(10)来调制光源(1)，光源(1)直接输出激光脉冲。

4、根据权利要求1所述的一种用于测量高反射率的装置，其特征在于：所述的光源(1)的激光波长若不在可见波段，则利用反射镜(12)和分光镜(13)引入准直光束激光器(11)发出的可见激光束，用于调节衰荡腔。

5、根据权利要求1所述的一种用于测量高反射率的装置，其特征在于：所述的会聚透镜(6)和光电探测器(7)搜集和探测平行于入射臂方向或出射臂方向的出射激光束或同时搜集和探测两个方向的出射激光束。

6、根据权利要求1所述的一种用于测量高反射率的装置，其特征在于：所述的入射臂比出射臂短，两者之间的夹角θ满足5°≤θ≤45°。

7、根据权利要求1所述的一种用于测量高反射率的装置，其特征在于：所述的入射腔镜(3)的反射率R₁和平面高反镜(4)的反射率R₂满足0.998≤R₁≤0.9999，0.998≤R₂≤0.9999，出射腔镜(5)的反射率R₃满足R₃≥0.9995，并且出射腔镜(5)的反射率R₃高于入射腔镜(3)的反射率R₁和平面高反镜(4)的反射率R₂。

8、根据权利要求1所述的一种用于测量高反射率的装置，其特征在于：所述在出射臂插入待测平面高反镜(14)后所形成的测试角度α，即插入的待测平面高反镜(14)的法线方向与初始衰荡腔出射臂的夹角α为1-85度。

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