CN102169050A - 一种反射率综合测量方法 - Google Patents

Abstract

一种反射率综合测量方法，步骤为：连续入射激光束被分束为参考光束和探测光束，参考光束被聚焦到光电探测器直接探测，探测光束注入光学谐振腔。在测量反射率大于99％的光学元件时采用光腔衰荡技术，分别测量初始光学谐振腔输出信号的衰荡时间τ₀和加入待测光学元件后的测试光学谐振腔输出信号的衰荡时间τ₁，计算得到待测光学元件反射率R。在R值小于99％时采用分光光度技术测量待测光学元件反射率。移走输出腔镜，从测试镜反射的探测光被聚焦到光电探测器探测，同时记录探测光束和参考光束光强信号比值，通过定标进而得待测光学元件反射率R。该反射率测量装置可测量任意反射率光学元件，而且可对大口径光学元件反射率分布实现高分辨二维成像。

Description

一种反射率综合测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于光学元件反射率综合测量方法，特别涉及一种测量任意反射率光学元件和大口径光学元件反射率的方法。

背景技术

分光光度法是测量光学元件透反射率最常用的方法，从原理上讲，只要测出反射光能流E_r和入射光能流E₁，反射率即为R＝E_r/E₁。在实际测量中，激光光源输出功率的波动是影响测量结果的重要因素。对一些反射率达到99.9％以上的高反射率光学元件，在光路中不加待测光学元件和加入待测光学元件时的光强非常接近，这时光源输出功率的微小波动都将对结果造成较大的影响，反射率越高测量难度越大，因此基于分光光度法的反射率测量装置不能满足高反射率尤其是反射率大于99.9％的高反射率光学元件反射率高精度测量的要求，这种传统的测量方法适用于反射率在0～99.9％之间的光学元件的反射率测量，常规商品仪器的测量精度一般为0.3％左右。

而对于反射率大于99.9％的光学元件反射率测量主要基于光腔衰荡技术(李斌成，龚元；光腔衰荡高反射率测量综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203)。中国专利申请号98114152.8的发明专利“一种反镜高反射率的测量方法”，采用脉冲光腔衰荡技术实现高反射率的测量。中国专利申请号200610011254.9的发明专利“一种高反镜反射率的测量方法”、中国专利申请号200610165082.0的发明专利“高反镜反射率的测量方法”、中国专利申请号200710098755.X的发明专利“基于半导体自混合效应的高反射率测量方法”、中国专利申请号200810102778.8的发明专利“基于频率选择性光反馈光腔衰荡技术的高反射率测量方法”以及中国专利申请号200810055635.4的发明专利“一种用于测量高反射率的装置”均使用连续光腔衰荡技术测量高反射率。光腔衰荡技术解决了高反射率光学元件测量的问题，其反射率测量范围为99％～99.9999％甚至更高。当待测光学元件反射率大于99.99％时，测量精度优于1×10^-6。

上述分光光度装置不能对反射率高于99.9％的光学元件反射率实现精确测量，而基于光腔衰荡技术的高反射率测量装置由于其测量精度正比于待测光学元件的反射率，因此无法精确测量反射率低于98％的光学元件的反射率。目前，可以实现任意反射率精确测量的装置还未见报道。因此发展一种可测量任意反射率(0～99.9999％或更高)，并可以满足大口径光学元件反射率二维扫描成像的反射率综合测量装置是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有反射率测量方法的不足，提出了一种可以测量光学元件任意反射率的综合测量方法，同时实现了常规光学元件和高反射光学元件反射率的测量，还可以满足大口径光学元件反射率的二维扫描成像测量，并具有测量精度高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将分光光度技术和光腔衰荡技术相结合实现光学元件反射率测量。连续入射激光束被分束为参考光束和探测光束，参考光束被聚焦到光电探测器直接探测，探测光束注入光学谐振腔。在测量反射率大于99％的光学元件时采用光腔衰荡技术，分别测量初始光学谐振腔输出的光腔衰荡信号衰荡时间τ₀和加入待测光学元件后的测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号衰荡时间τ₁，计算得到待测光学元件反射率R。在R值小于99％时采用分光光度技术测量反射率，移走输出腔镜，从待测光学元件反射的探测光被聚焦到光电探测器探测，同时记录探测光束和参考光束光强信号比值，通过定标进而得到待测光学元件反射率R。

具体实现步骤如下：

(1)将光强周期性调制的连续激光束分束成参考光束和探测光束，参考光束经可变衰减器调节光强后由聚焦透镜聚焦到第一个光电探测器探测得到参考信号，探测光束注入初始光学谐振腔，所述初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反射镜和一块平面高反射镜构成“V”型腔，平面高反射镜为入射腔镜且倾斜于光轴放置，入射激光束从该平面高反射镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反射镜，激光束被第一块平凹高反射镜反射后按原路返回至平面高反射镜，然后又被平面高反射镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反射镜，第二块平凹高反射镜即这(删)平凹高反射输出腔镜，该平凹高反射输出腔镜输出的光腔衰荡信号由第二个光电探测器记录；当初始光学谐振腔输出的光腔衰荡信号幅值高于设定阈值时，在调制信号的下降沿按单指数衰减函数拟合光腔衰荡信号得到初始光学谐振腔衰荡时间τ₀；移走第二块平凹高反射镜，同时记录第二个和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P₁＝I₁/I₀，I₀为第一个光电探测器探测到的参考光束光强信号，I₁为第二个光电探测器探测到的探测光束光强信号；

(2)在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测光学元件，并相应地移动第二块平凹高反射镜即平凹高反射输出腔镜和第二个光电探测器位置构成测试光学谐振腔，所述测试光学谐振腔的结构为在初始光学谐振腔的第二块平凹高反射镜和平面高反射镜之间插入待测光学元件构成“Z”型腔，入射激光束透过平面高反射镜后，先后经过第一块平凹高反射镜和平面高反射镜反射后，入射到待测光学元件，入射角为待测光学元件使用角度，从待测光学元件反射的激光束垂直入射到第二块平凹高反射镜，第二块平凹高反射镜即为平凹高反射输出腔镜；待测光学元件放置于二维位移平台上，当测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号幅值高于设定阈值时，在调制信号的下降沿按单指数衰减函数拟合光腔衰荡信号得到测试光学谐振腔衰荡时间τ₁，经计算得到待测光学元件反射率R＝exp(L₀/cτ₀-L₁/cτ₁)，其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，c为光速；

(3)若步骤(2)所述测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号的衰荡时间

或者衰荡时间小到无法确定时，则移走第二块平凹高反射镜即平凹高反射输出腔镜，同时记录第二个光电探测器和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P₂＝I₂/I₀，I₂为第二个光电探测器探测到的探测光束光强信号，计算可得待测光学元件的反射率R＝P₂/P₁。

所述装置也可以实现光学元件透过率测量，即在权利要求1步骤(3)测得P₂之后，移动第二个光电探测器位置，利用第二个光电探测器探测透过待测光学元件的探测光束光强信号，同时记录第二个和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P₃＝I₃/I₀，I₃为第二个光电探测器探测到的探测光束光强信号，计算可得待测光学元件的透过率T＝P₃/P₁。

所述组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的两块平凹高反射镜和平面高反射镜反射率均大于99％。

所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔或共焦腔，初始光学谐振腔腔长L₀和测试光学谐振腔腔长L₁满足0＜L₀＜2r，0＜L₁＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。

所述步骤(1)的将光强周期性调制的连续激光束分束成参考光束和探测光束通过以下方法之一实现：

a.由倾斜于光轴放置的平面高反射镜将激光束分成两束，反射光束为参考光束，透射光束为探测光束，在反射光束光路中加入可变衰减器，调节可变衰减器使参考光束光强和探测光束光强相当；

b.在激光器和倾斜于光轴放置的平面高反射镜之间加入一个反射率/透过率比为0.01％～50％的分光镜，反射光束为参考光束，透射光束为探测光束，在反射光束光路中加可变衰减器，调节可变衰减器使参考光束光强和探测光束光强相当；

c.倾斜于光轴放置的平面高反射镜为一个楔形镜，一面镀高反射膜，另一面镀增透膜或不镀膜，由镀增透膜或不镀膜面反射的光束为参考光束，透射光束为探测光束，在反射光束光路上加入可变衰减器，调节可变衰减器使参考光束光强和探测光束光强相当。

此外，通过二维平移台移动待测光学元件的横向位置，实现大口径光学元件反射率的二维扫描测量，得到待测光学元件反射率的二维分布。

所述步骤(2)中若待测光学元件为不需要扫描测量的小口径光学元件(例如口径小于30mm)或仅需单点测量，则待测光学元件无需放置于二维位移平台上。

所述第一个和第二个光电探测器输出信号使用锁相放大器探测。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明将分光光度技术和光腔衰荡技术相结合实现光学元件任意反射率的测量。对于反射率大于99％的光学元件采用光腔衰荡技术对其反射率进行测量，由于光腔衰荡法测量反射率小于98％的光学元件反射率时会产生较大的误差，本发明的反射率测量装置只需通过移走平凹高反射输出腔镜就可实现基于分光光度法的反射率测量，在两种方法之间的切换十分简单方便。本发明弥补了传统基于分光光度技术的反射率测量仪不能对高反射率光学元件进行精确测量以及基于光腔衰荡技术的反射率测量装置不能对低反射率元件进行精确测量的缺点，实现了一套装置可以测量光学元件的任意反射率。本发明还能满足对大口径光学元件表面二维扫描成像测量，得到待测光学元件表面反射率分布，同时还能测量光学元件的透过率及其二维分布。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的测量反射率小于99％的光学元件反射率装置示意图，该结构中由平面高反射镜将入射光束分束成参考光束和探测光束；

图3为本发明的测量反射率小于99％的光学元件反射率装置示意图，该结构中由分光镜将入射光束分束成参考光束和探测光束；

图4为本发明的测量反射率小于99％的光学元件反射率装置示意图，该结构中由楔形镜将入射光束分束成参考光束和探测光束；

图5为本发明的测量反射率小于99％的光学元件反射率装置示意图，该结构中探测器输出信号由锁相放大器探测；

图6为本发明的测量光学元件透过率装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图1所述的系统描述本发明的一种反射率综合测量装置。图1中：1为光源、2为平面高反射镜、3和4为平凹高反射镜、5为待测光学元件、6和13为聚焦透镜、7和14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为二维位移平台、12为可变衰减器、15为可见辅助光源、16为反射镜、17为分光镜，其中平凹高反射镜4为平凹高反射输出腔镜，图中粗线为光路，细线为连接线。

光源1选用连续半导体激光器，激光器采用方波调制输出，方波由计算机9控制的函数发生卡10产生；光强周期性调制的连续激光束被平面高反射镜2分束成参考光束和探测光束，参考光束经可变衰减器12衰减后由聚焦透镜13聚焦到光电探测器14，调节可变衰减器12使参考光束光强和探测光束光强相当；光电探测器7和14的输出信号由数据采集卡8采集并输入计算机9存储及处理；可见辅助光源15、反射镜16和分光镜17用于辅助调节光路，若光源1为可见光时，不需要使用可见辅助光源15、反射镜16和分光镜17。

当待测光学元件反射率大于99％时，将采用图1所示的结构装置进行反射率测量。根据光腔衰荡技术，将光强周期性调制的连续激光注入由高反射镜构成的稳定光学谐振腔，随着激光束的注入，光学谐振腔内光能量逐渐增加，当入射激光束被迅速关断之后，光学谐振腔内光能量会由于腔镜透射损耗而逐渐减小。由两块相同的平凹高反射镜3、4和一块平面高反射镜2构成稳定初始光学谐振腔，平面高反射镜2为入射腔镜且倾斜于光轴放置。构成初始光学谐振腔的高反射镜反射率大于99％，初始光学谐振腔为稳定光学谐振腔或共焦光学谐振腔，初始光学谐振腔腔长L₀满足0＜L₀＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。入射激光束从平面高反射镜2透射后垂直入射到垂直于光轴放置的平凹高反射镜3，激光束被平凹高反射镜3反射后按原路返回至平面高反射镜2，然后又被平面高反射镜2再次反射，反射光垂直入射到平凹高反射镜4；平凹高反射镜4透射光由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7。当初始光学谐振腔输出的光腔衰荡信号幅值高于设定阈值时，在调制信号的下降沿记录光腔衰荡信号并按单指数衰减函数

(A₀₁，A₀₂为常系数，t为时间)拟合出初始光学谐振腔衰荡时间τ₀。移走平凹高反射镜4，同时记录光电探测器7和光电探测器14在相同时刻所测光强信号比值P₁＝I₁/I₀，I₀为光电探测器14探测到的参考光束光强信号，I₁为光电探测器7探测到的探测光束光强信号。

在初始光学谐振腔的平凹高反射镜4和平面高反射镜2之间加入待测光学元件5，入射角为待测光学元件5的使用角度，待测光学元件5置于二维位移平台11上。并相应地移动平凹高反射镜4、聚焦透镜6和光电探测器7的位置构成稳定的测试光学谐振腔，如图1中虚线所示。测试光学谐振腔为稳定光学谐振腔或共焦光学谐振腔，测试光学谐振腔腔长L₁满足0＜L₁＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。同样，平凹高反射镜4透射光由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7，当测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号幅值高于设定阈值时，在调制信号的下降沿记录光腔衰荡信号并按单指数衰减函数

(A₁₁，A₁₂为常系数，t为时间)拟合出测试光学谐振腔衰荡时间τ₁。待测光学元件5的反射率R＝exp(L₀/cτ₀-L₁/cτ₁)，其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，c为光速。通过移动放置于二维位移平台11上的待测光学元件的横向位置可以实现大口径(例如口径大于50mm)光学元件的二维扫描测量，得到待测光学元件的反射率分布。若待测光学元件为不需要扫描测量的小口径(例如口径小于30mm)光学元件或仅需单点测量，则待测光学元件无需放置于二维位移平台上。

当上述测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号衰荡时间

或者衰荡时间小到无法确定时，则移走平凹高反射镜4，如图2所示。平面高反射镜2将入射的连续激光束分束成反射光束和透射光束，反射光束为参考光束，其经过可变衰减器12衰减后由聚焦透镜13聚焦到光电探测器14探测，调节可变衰减器12使得参考光束光强和探测光束光强相当；透射光束为探测光束，其经平凹高反射镜3反射后按原路返回至平面高反射镜2，经平面高反射镜2再次反射后入射到待测光学元件5上，入射角为待测光学元件5的使用角度，待测光学元件5的反射光由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7上，同时记录光电探测器7和光电探测器14在相同时刻所测光强信号比值P₂＝I₂/I₀，I₂为光电探测器7探测到的探测光束光强信号，I₀为光电探测器14探测到的参考光束光强信号；计算可得待测光学元件的反射率R＝P₂/P₁。

图3所示的结构装置是在光源1和平面高反射镜2之间加入反射率/透过率比为0.01％～50％的平面分光镜18，平面分光镜18的反射光束为参考光束，参考光束经过可变衰减器12衰减后由聚焦透镜13聚焦到光电探测器14，透过平面分光镜18和平面高反射镜2的透射光束为探测光束。

图4所示的结构装置中19为一个楔形镜，楔形镜19前表面镀增透膜或未镀膜(光源输出光束入射面)，前表面的反射光束为参考光束，后表面镀高反射膜，后表面在光源输出光束入射面内的反射光(如图4中箭头所示)不被收集。参考光束经过可变衰减器12衰减后由聚焦透镜13聚焦到光电探测器14；楔形镜19的透射光束为探测光束。

若平面高反射镜2的反射率较大，使得透过平面高反射镜2的探测光束强度很弱(比如低于5mV)，以至于数据采集卡8不能够准确记录光电探测器7所探测的探测光束光强信号，光电探测器7和14的输出信号要先经过锁相放大器20放大后由数据采集卡8采集，如图5所示。经过锁相放大器22放大的信号由数据采集卡8采集并输入计算机9存储及处理。

本发明装置在反射率测量的同时也可以实现待测光学元件的透过率测量，测量结构如图6所示。在测得P₁和P₂之后，移动聚焦透镜6和光电探测器7，探测待测光学元件5的透射光，使得待测光学元件5的透射光由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7，同时记录光电探测器7和光电探测器14在相同时刻所测光强信号比值P₃＝I₃/I₀，I₃为光电探测器7探测到的探测光束光强信号，I₀为光电探测器14探测到的参考光束光强信号；计算可得待测光学元件的透过率T＝P₃/P₁，通过移动放置于二维位移平台11上的待测光学元件的横向位置可以实现大口径(例如口径大于50mm)光学元件的二维扫描测量，得到待测光学元件的反射率分布。若待测光学元件为不需要扫描测量的小口径(例如口径小于30mm)光学元件或仅需单点测量，则待测光学元件无需放置于二维位移平台上。

总之，本发明提出了一种反射率综合测量方法，可以测量从紫外到中远红外的各类反射镜任意反射率。本发明弥补了传统基于分光光度技术的反射率测量装置不能对高反射率光学元件进行精确测量以及基于光腔衰技术的反射率测量装置不能对低反射率元件进行精确测量的缺点，实现了可以测量光学元件的任意反射率。本发明还能满足对大口径光学元件表面二维扫描成像测量，得到待测光学元件表面反射率分布，同时还能测量光学元件的透过率及其二维分布。

Claims (8)

1.一种反射率综合测量方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)将光强周期性调制的连续激光束分束成参考光束和探测光束，参考光束经可变衰减器调节光强后由聚焦透镜聚焦到第一个光电探测器探测得到参考信号，探测光束注入初始光学谐振腔，所述初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反射镜和一块平面高反射镜构成“V”型腔，平面高反射镜为入射腔镜且倾斜于光轴放置，入射激光束从该平面高反射镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反射镜，激光束被第一块平凹高反射镜反射后按原路返回至平面高反射镜，然后又被平面高反射镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反射镜，第二块平凹高反射镜即这(删)平凹高反射输出腔镜，该平凹高反射输出腔镜输出的光腔衰荡信号由第二个光电探测器记录；当初始光学谐振腔输出的光腔衰荡信号幅值高于设定阈值时，在调制信号的下降沿按单指数衰减函数拟合光腔衰荡信号得到初始光学谐振腔衰荡时间τ₀；移走第二块平凹高反射镜，同时记录第二个和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P₁＝I₁/I₀，I₀为第一个光电探测器探测到的参考光束光强信号，I₁为第二个光电探测器探测到的探测光束光强信号；

(2)在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测光学元件，并相应地移动第二块平凹高反射镜即平凹高反射输出腔镜和第二个光电探测器位置构成测试光学谐振腔，所述测试光学谐振腔的结构为在初始光学谐振腔的第二块平凹高反射镜和平面高反射镜之间插入待测光学元件构成“Z”型腔，入射激光束透过平面高反射镜后，先后经过第一块平凹高反射镜和平面高反射镜反射后，入射到待测光学元件，入射角为待测光学元件使用角度，从待测光学元件反射的激光束垂直入射到第二块平凹高反射镜，第二块平凹高反射镜即为平凹高反射输出腔镜；待测光学元件放置于二维位移平台上，当测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号幅值高于设定阈值时，在调制信号的下降沿按单指数衰减函数拟合光腔衰荡信号得到测试光学谐振腔衰荡时间τ₁，经计算得到待测光学元件反射率R＝exp(_L0/cτ₀-L₁/cτ₁)，其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L1为测试光学谐振腔腔长，c为光速；

(3)若步骤(2)所述测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号的衰荡时间

或者衰荡时间小到无法确定时，则移走第二块平凹高反射镜即平凹高反射输出腔镜，同时记录第二个光电探测器和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P₂＝I₂/I₀，I₂为第二个光电探测器探测到的探测光束光强信号，计算可得待测光学元件的反射率R＝P₂/P₁。

2.根据权利要求1所述的一种反射率综合测量装置，其特征在于：所述装置也可以实现光学元件透过率测量，即在权利要求1步骤(3)测得P₂之后，移动第二个光电探测器位置，利用第二个光电探测器探测透过待测光学元件的探测光束光强信号，同时记录第二个和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P₃＝I₃/I₀，I₃为第二个光电探测器探测到的探测光束光强信号，计算可得待测光学元件的透过率T＝P₃/P₁。

3.根据权利要求1或2所述的一种反射率综合测量方法，其特征在于：所述组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的两块平凹高反射镜和平面高反射镜反射率均大于99％。

4.根据权利要求1或2所述的一种反射率综合测量方法，其特征在于：所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔或共焦腔，初始光学谐振腔腔长L₀和测试光学谐振腔腔长L₁满足0＜L₀＜2r，0＜L₁＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。

5.根据权利要求1或2所述的一种反射率综合测量方法，其特征在于：所述步骤(1)的将光强周期性调制的连续激光束分束成参考光束和探测光束通过以下方法之一实现：

a.由倾斜于光轴放置的平面高反射镜将激光束分成两束，反射光束为参考光束，透射光束为探测光束，在反射光束光路中加入可变衰减器，调节可变衰减器使参考光束光强和探测光束光强相当；

b.在激光器和倾斜于光轴放置的平面高反射镜之间加入一个反射率/透过率比为0.01％～50％的分光镜，反射光束为参考光束，透射光束为探测光束，在反射光束光路中加可变衰减器，调节可变衰减器使参考光束光强和探测光束光强相当；

c.倾斜于光轴放置的平面高反射镜为一个楔形镜，一面镀高反射膜，另一面镀增透膜或不镀膜，由镀增透膜或不镀膜面反射的光束为参考光束，透射光束为探测光束，在反射光束光路上加入可变衰减器，调节可变衰减器使参考光束光强和探测光束光强相当。

6.根据权利要求1或2所述的一种反射率综合测量方法，其特征在于：通过二维平移台移动待测光学元件的横向位置，实现大口径光学元件反射率的二维扫描测量，得到待测光学元件反射率的二维分布。

7.根据权利要求1或2所述的一种反射率综合测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中若待测光学元件为不需要扫描测量的小口径光学元件或仅需单点测量，则待测光学元件无需放置于二维位移平台上。

8.根据权利要求1或2所述的一种反射率综合测量方法，其特征在于：所述第一个和第二个光电探测器输出信号使用锁相放大器探测。

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