CN102053007B - 一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，它属于对光学薄膜参数进行测量的技术领域，其测量原理基于正、反两方向光束在折叠腔镜高反膜内的干涉效应。本发明以可调谐窄带激光器作为光源，首先通过连续波腔衰荡光谱技术测得折叠型光学无源腔的损耗谱曲线δ(v)，然后利用该损耗谱曲线δ(v)在其一个振荡周期光谱范围内的最大值与最小值之间的差值求得折叠腔镜处被测高反射率膜片膜内的散射和吸收总损耗S+A，即S+A＝[δ(v)_max-δ(v)_min]/2。本发明结构简单、精度高、测量过程简单便捷且结果无需标定，更重要的是它能为高反射率膜片各损耗项的分离提供必要条件。

Description

一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法

技术领域  本发明涉及一种光学薄膜参数的测量方法，尤其是指高反射率膜片膜内损耗参数(包括散射和吸收损耗)的绝对测量方法。

背景技术  高反射率膜片(以下简称高反膜)，特别是具有极低散射和吸收损耗的多层介质规整高反膜，作为不可或缺的光学元件已被广泛应用于诸多高科技领域，譬如：众多的激光器、高品质干涉仪、还有激光陀螺等等。表征高反膜特征的参数有很多，如光谱特征和薄膜损耗等等。其中，薄膜损耗(包括透射、散射和吸收损耗)作为重要的特征参数，决定着众多光学器件、光学仪器和光学应用领域的成败，如：激光陀螺、DWDM、高精度重力(梯度)仪、强激光领域、等等。近年来，随着基片超级抛光技术和极低损耗离子溅射镀膜技术的发展，高反膜的反射率已做得越来越高、各损耗项也做得越来越低，总损耗达10^-5量级(透射、散射和吸收总损耗)的高反镜已经商品化，总损耗接近1×10^-6的高反膜也有报道。随着膜片质量的提高，传统的测量方法(如分光光度计单次反射测量法及光强差动平衡法等)已经不能满足高精度损耗项标定的要求，迫切需要新的技术来解决这个问题。为此，众多高灵敏度测量技术应运而生，比较典型的如腔衰荡法和谐振腔精细度测量法等。1984年，D.Z.Anderson等人提出了一种利用光波在无源腔内的衰荡时间来测量高反膜损耗的测量方法【D.Z.Anderson，J.C.Frisch，and C.C.Masser，“Mirror reflectometer based on optical cavity decaytime，”Appl.Opt.，1984，23，1238～1245】。由于其结构简单、精度高，且测量结果无需标定，目前已发展成为低损耗膜片高精度测量的标准方法，如高反膜的反射率测量及减反膜的透射率测量，等等。目前基于该技术的商业化产品在国外已出现，国内这方面的发明专利也已公布，如中国专利申请号98114152.8，公开号CN1242516A，公开日期为2000年1月26日的发明专利“一种反射镜高反射率的测量方法”，以及中国专利申请号200610165028.0，公开号CN1963435A，公开日期为2007年5月16日的发明专利“高反镜反射率测量方法”等等。然而，这些仪器或方法测得的高反镜(高反膜)损耗为其总损耗，它们无法将膜内各损耗项(特别是散射和吸收损耗)单独分离出来，这对于镀膜工艺的改进以及高反膜的某些特殊应用而言是远远不够的。譬如在强激光领域，高反膜的损伤阈值取决于膜内的吸收损耗，因此其绝对值测量意义重大。此外，虽然目前也有专门针对高反膜某些损耗项的专用测量方法，如表面热透镜薄膜吸收损耗测量技术及积分或微分表面散射测量技术等等，但这些技术普遍存在结构复杂、测量过程繁琐，还有测量结果需要复杂标定等缺点。本发明利用光谱扫描式窄带连续波腔衰荡光谱系统绝对测量膜内损耗，不仅能获得高反膜的总损耗值，还能将它的各损耗项单独分离出来。这种高反膜各损耗项的分离测量方法具有重要意义，特别是对于强激光中的高反膜吸收损耗测量具有重要意义，对于镀膜工艺的改进也具有重要的指导作用。

发明内容  本发明针对现有技术的不足，基于在连续波腔衰荡光谱实验研究中观察到的一种特殊现象：腔损耗谱纹波现象，提出了一种能准确获取高反膜膜内损耗(包括散射和吸收损耗S+A)的绝对测量方法。本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

(1)将被测高反膜片与其它两片反射率均大于99.9％的高反膜片组成一个“V”形稳定无源腔，并将被测高反膜片用于腔内光路折叠。将连续可调谐窄带激光引入此折叠腔内，通过扫描腔长或调谐激光频率实现激光与无源腔之间的频率匹配，当腔透射光强度大于设定阈值时，触发激光快速关断并同时记录此时的腔透射光信号。求得激光频率v₀处腔透射光信号的衰减时间τ(v₀)后，通过式(1)反演出折叠腔的总损耗值δ(v₀)。式中L为总腔长，c为光速。

$\mathrm{\δ}\left(v_0\right)=\frac{L}{c\·\mathrm{\τ}\left(v_0\right)}---\left(1\right)$

(2)以Δv为步长连续扫描激光频率v，测量并保存光谱扫描过程中光谱范围v_max-v_min内的折叠腔损耗谱δ(v)。由腔损耗谱δ(v)在其一个振荡周期光谱范围内的最大值与最小值之间的差值求得被测高反膜膜内的散射损耗S和吸收损耗A的总值，即S+A＝[δ(v)_max-δ(v)_min]/2。

所述步骤(1)中折叠腔为对称或非对称结构。

所述步骤(1)中折叠角度为1～45°。

所述步骤(1)中激光从折叠腔镜处或者从折叠腔端面镜处入射到腔内。

所述步骤(1)中连续可调谐窄带激光的线宽小于腔内各模式间的间隔，波长为0.2～11μm。

所述步骤(2)中激光频率扫描步长Δv为腔纵模间隔Δv_q＝c/2L的0.001～0.1。

所述步骤(2)中激光频率扫描范围v_max-v_min≥c/2l，其中l为折叠腔中较长的腔臂长。

本发明的测量原理源于对折叠型连续波腔衰荡光谱系统应用研究中所观察到的一种特殊实验现象的思考，其本质是利用正、反两方向光束在折叠腔镜高反膜内的干涉效应来实现膜内散射及吸收损耗的分离。为清楚阐述本发明的测量原理，如图2所示，主要分两种情况对高反膜膜内的光波场随激光频率的变化情况进行分析。如图2(a)所示，首先分析较简单的单方向光束入射情况，即折叠腔两端面镜高反膜的实际情形(对应图中β＝0)。通常所用的高反膜是由高低折射率介质连续间隔(各层的光学厚度为λ₀/4)、周期堆积而成的多层介质膜，它利用光波在介质层各界面处的多光束干涉来实现增大反射率的目的。由此可知，单方向光入射到高反膜内时，其内部光波场是由光波在各层介质交界面处的入射、透射和反射干涉叠加而成，此时要获取其解析表达式较为困难。目前，薄膜光学中通常利用计算机进行数值模拟的办法来分析膜内光波场的规律，在此根据其中的矩阵算法【Sh.A.Furman and A.VTikhonravov，“Basis of Optics of Multilayer systems，”Singapore：Fong&Sons Printers Pte.Ltd.，1992，21～27】对膜内光波场的相位及强度进行数值模拟，结果如图3所示。模拟结果表明，在高反膜反射带宽范围内，单方向入射光在高反膜内形成的稳定光波场对光波长(频率)的变化不敏感，且其分布特征类似于驻波场，但幅值随着膜层厚度的增加而逐渐衰减。在腔衰荡法损耗测量中，当外部激光被引入折叠腔内后，光波将会在腔内来回往返，并在其中形成稳定谐振，此时折叠腔镜处同时存在着方向相反的两束光入射。如图2(b)所示，考虑到图3中膜内光波场的分布规律只与激光频率及入射角有关、而与其入射方位无关，可知此时膜内总光波场的分布主要由两入射光束间的相位差θ来决定，其函数关系式可表示为

$\left\{\begin{array}{c}E\left(t\right)+E^{\′}\left(t\right)=[\sqrt{R_M{R}_{M1}}\·\exp (\mathrm{\θ}\·j)+1]\·E\left(t\right)\\ \mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·2l+{\mathrm{\θ}}_M+{\mathrm{\θ}}_{M1}=\frac{2\mathrm{\πv}}{c}\·2l+{\mathrm{\θ}}_M+{\mathrm{\θ}}_{M1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，E(t)、E′(t)为正、反两方向光入射时各自在折叠腔镜高反膜内形成的稳定光波场；θ_M、θ_M1分别为折叠腔镜M、端面镜M1的光波反射相位；R_M、R_M1分别为两腔镜的光强反射率。考虑到折叠腔的损耗极低，腔镜反射率可近似为1，此时可通过式(2)算得腔单臂长l固定时折叠腔镜高反膜内的光波场强度随激光频率扫描的变化情况。根据光学无源腔的稳定谐振条件可知，腔损耗谱测量中，激光每扫描一个腔纵模对应频率的调谐量可表示为

$\mathrm{\Δ\θ}=2\mathrm{\π}=\frac{2\mathrm{\π}}{c}\·2L\⇒{\mathrm{\Δv}}_q=\frac{c}{2L}---\left(3\right)$

此时，对于“V”形折叠腔系统而言，如图2(c)所示，根据式(2、3)可知，在连续波腔衰荡光谱测量中，激光频率每扫描L/l倍腔纵模间隔，则折叠腔镜高反膜表面的正、反入射光之间的相位差就会扫描2π，即式(2)中Δθ＝(2l·2π/c)·Δv_q·(L/l)＝2π。此时，折叠腔镜高反膜内的光波场就会完成一次周期振荡。根据膜的散射与吸收有关理论可知，此时膜内光场强度随激光频率扫描的变化最终导致了膜内散射和吸收损耗的周期性变化。如图2(c)所示，若设“V”形折叠腔两端高反膜的损耗同为δ₁，腔内介质的单位长度吸收系数为α，折叠腔镜的透射、散射及吸收损耗分别为T、S和A，则光在腔内的单程损耗值可以表示为δ＝δ₁+αL+T+k(S+A)。其中k＝0～2，其具体值由正反两方向入射光间的相位差θ决定，其实质受制于激光频率v。因此，由δ(v)最大值(对应k＝2)与最小值(对应k＝0)间的差值δ(v)_max-δ(v)_min可求得高反膜膜内的散射和吸收总损耗，即S+A＝[δ(v)_max-δ(v)_min]/2。

需要补充说明的是，根据光波场的干涉理论【M.波恩，E.沃尔夫，“光学原理”(上册)，北京：科学出版社，1978，361～366】，可知折叠腔镜高反膜表面处的光波场为波节，因此当激光频率扫描时，该表面处光波场的变化基本可忽略。此外，对于某些特殊的应用场合，高品质的高反膜片通常是采用极低损耗离子溅射镀膜技术在超级抛光基片上镀制而成，此时的膜内体散射以及膜表面散射损耗相对于其它类型的损耗可忽略，因此应用本发明测得的膜内损耗就是高反膜的吸收损耗，即δ(v)_max-δ(v)_min＝2A，当时。若是利用半球积分散射仪直接测量获得高反膜的散射损耗(发明者目前正在进行这方面的研究)，也可以精确求得高反膜的吸收损耗，这对于强激光中高反膜的损伤阈值研究非常重要。

本发明与现有的高反膜损耗测量技术相比具有以下优点：

(1)能单独获取高反膜膜内的损耗值，这是常规的脉冲或连续激光腔衰荡法所不能测量的。

(2)结构简单、成本低、测量过程简单便捷。本发明能一次给出被测结果，无需反复调腔。

(3)测量结果为绝对值、无需复杂标定。相对于表面热透镜及积分或微分散射等专用测量技术而言，本发明的测量结果更为直接、速度更快。

附图说明  图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明测量原理的分析示意图。其中，图2(a)为单方向光入射到高反膜内时的示意图，图2(b)为正反两方向光同时入射到高反膜内时的示意图，图2(c)为“V”形折叠腔的结构示意图。

图3为矩阵算法数值模拟出的单方向入射光(S光)在29层规整高反膜内形成的光波场相位(图3(a))及场强(图3(b))分布曲线，高反膜的中心波长为1.548μm(～6460cm^-1)。

图4为连续波腔衰荡光谱技术实际测得的同种高反膜片所组成的直腔(虚线)、“Z”形折叠腔(实线)的损耗谱曲线，图中实线出现的谱线振荡即为所谓的腔损耗谱纹波现象。

具体实施方式  如图1所示，本发明装置由可调谐窄带激光光源1、光隔离器2、光束整形透镜组3、PZT腔长调制器4、折叠型光学无源腔5、聚焦透镜6、光电探测器7、信号调理与采集电路8、计算机9以及信号发生器10组成。图中粗线表示光路，细线表示信号连接，其中PZT腔长调制器安装在腔端面镜后表面，被测高反膜片放置在腔内光路折叠处。

可调谐激光光源1发出的窄带激光经光隔离器2后，由透镜组3进行光束整形，使得其光束参数满足折叠腔5的模式要求，并由此实现入射激光在折叠腔5内的基模耦合效率远大于其它高阶模的耦合效率，从而为折叠腔5的基模衰荡测量提供前提条件。折叠腔5是由三片高反镜组成的对称腔体，各反射镜镀膜面朝内，其腔长L及各腔镜曲率半径r_n满足无源腔的稳定性条件。为现实窄带激光与折叠腔5之间的频率匹配，PZT腔长调制器在信号发生器10产生的三角波信号驱动下推拉腔镜使得无源腔纵模位置来回移动。折叠腔5透射出的光经过透镜6聚焦后汇聚到光电探测器7上进行光电转换后，探测器7的输出信号被直接连接到信号调理与采集电路8。信号调理与采集电路8由三大模块组成，分别完成信号峰值采样、信号比较触发以及信号高速采样等功能。其中，信号峰值采样模块用于获取PZT腔长扫描过程中折叠腔5的最大透射光强，并由此来设定腔衰荡阈值；信号比较触发模块用于产生光关断和信号采样触发信号，并触发PZT腔长调制器4停止腔长扫描；而信号高速采样模块则完成光关断后腔透射光信号的快速采样和数字化。当折叠腔5的透射光强大于设定的阈值时，就可保证折叠腔衰荡测得的信号为信号最强、损耗最小的腔基模。计算机9获取信号调理与采集电路8传来的数字化腔衰荡信号后，以下式(4)为目标函数对腔衰荡数据进行非线性最小二乘拟合(Levenberg-Marquardt算法)。

f(t)＝a·exp[-t/τ(v)]+b    (4)

求得腔衰荡时间τ后，通过(1)式反演出折叠腔5在激光频率v_min处的总损耗值δ(v_min)。随后，计算机10发出信号触发可调谐激光光源1以步长Δv(Δv＜＜Δv_q)改变激光频率，并按照上述步骤测得激光频率v_min+Δv处折叠腔5的总损耗δ(v_min+Δv)。由此循环测得v＝v_min～v_max光谱范围内的折叠腔5损耗谱δ(v)。最后，由δ(v)在两个腔纵模间隔光谱范围内的最大值与最小值之间的差值求得被测膜片的膜内总损耗，即2(S+A)＝δ(v)_max-δ(v)_min。

本发明中，为实现窄带激光与高品质因子无源腔间的频率匹配，除上述腔长扫描法外，还可通过小范围扫描激光频率，使激光频率围绕某无源腔谐振频率来回扫描来实现。激光的关断和频率扫描方式可根据激光器的类型进行选择，如半导体激光器可通过电流调制实现激光的开关，通过温度或电流调谐实现激光频率的扫描。而固体、气体等其它类型激光器可采用专用的声光或电光等光开关器件进行关断，通过光栅或棱镜等元件的进行激光频率扫描。

为进一步阐述本发明，下面结合实例进行说明。实例中，以超低膨胀系数微晶玻璃作为腔体，以DFB激光器为光源建立起高灵敏度连续波腔衰荡光谱系统并进行实验。系统采用“Z”形折叠腔结构，腔体折叠角～7.354°，三条腔单臂长度近似相等(总腔长为～75.0cm，对应的腔纵模间隔Δv_q≈0.0067cm-1)。折叠腔所用的腔镜(包括两片曲率半径为8m的球面镜和两片平面镜)镀制有29层规整高反膜，其中心波长λ₀≈1.548μm(v₀≈6460cm^-1)。各腔镜以光胶方式固定在腔体四个面上，其中折叠镜为平面镜。系统利用DFB激光器电流调谐的特点，使得激光以腔纵模间隔Δv_q为步长进行v＝6587.1～6588.1cm^-1范围内的频率扫描，并通过腔衰荡法获得各激光频率处的腔损耗值，测量结果如图4中实线所示。为便于比较，图4中还列出了直腔系统测得的相同激光频率扫描范围内典型的腔损耗谱曲线(如图4中虚线所示)，该直腔所用的腔镜高反膜与折叠腔所用的膜片属相同镀膜工艺镀制的同种高反膜。从图4中实线可发现，除周期为～80Δv_q的谱线纹波外【可解释为标准具效应所致，具体请参见文献：谭中奇，龙兴武等，“连续波腔衰荡光谱技术中的标准具效应”，中国激光，第35卷第10期，2008，1563～1566】，周期为～3Δv_q的快速谱线纹波是直腔系统测得的腔损耗谱曲线中不曾观察到的。

经前面理论分析可知，这种谱线纹波的周期主要由折叠腔的结构决定。因此，由“Z”形腔的结构特征(折叠腔单臂臂长约为总腔长的1/3，即L/l≈3)可推断，腔损耗谱测量中激光每扫描三个腔纵模，折叠腔镜处高反膜内的散射和吸收损耗就实现一次周期性的变化。从图4可看出，该推断与实验测量结果完全一致，因此，此谱线纹波现象充分验证了有关本发明的原理推导及分析。根据图4测得的折叠腔损耗谱曲线，若“Z”形腔为严格的对称结构，可算出本实例中高反膜膜内的总散射和吸收损耗S+A≈6.15×10^-6，损耗非常小，只有6ppm左右，这只有极低损耗离子溅射镀膜技术以及超级抛光基片可以达到。

Claims (7)

1.一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

(1)将被测高反膜片与其它两片反射率均大于99.9％的高反膜片组成一个“V”形稳定无源腔，并将被测高反膜片用于腔内光路折叠，将连续可调谐窄带激光引入此折叠腔内，通过扫描腔长或调谐激光频率实现激光与无源腔之间的频率匹配，当腔透射光强度大于设定阈值时，触发激光快速关断并同时记录此时的腔透射光信号，求得激光频率v₀处腔透射光信号的衰减时间τ(v₀)后，通过式(1)反演出折叠腔的总损耗值δ(v₀)，式中L为总腔长，c为光速；

$\mathrm{\δ}\left(v_0\right)=\frac{L}{c\·\mathrm{\τ}\left(v_0\right)}---\left(1\right)$

(2)以Δv为步长连续扫描激光频率v，测量并保存光谱扫描过程中光谱范围v_max-v_min内的折叠腔损耗谱δ(v)，由腔损耗谱δ(v)在其一个振荡周期光谱范围内的最大值与最小值之间的差值求得被测高反膜膜内的散射损耗S和吸收损耗A的总值，即S+A＝[δ(v)_max-δ(v)_min]/2。

2.按照权利要求1所述的一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

所述步骤(1)中折叠腔为对称或非对称结构。

3.按照权利要求1所述的一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

所述步骤(1)中折叠角度为1～45°。

4.按照权利要求1所述的一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

所述步骤(1)中激光从折叠腔镜处或者从折叠腔端面镜处入射到腔内。

5.按照权利要求1所述的一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

所述步骤(1)中连续可调谐窄带激光的线宽小于腔内各模式间的间隔，波长为0.2～11μm。

6.按照权利要求1所述的一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

所述步骤(2)中激光频率扫描步长Δv为腔纵模间隔Δv_q＝c/2L的0.001～0.1。

7.按照权利要求1所述的一种高反射率膜片膜内损耗参数的绝对测量方法，其特征在于：

所述步骤(2)中激光频率扫描范围v_max-v_min≥c/2l，其中l为折叠腔中较长的腔臂长。

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