CN102252825B - 基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量系统，主要解决现有系统无法对基模和高阶模的损耗同时进行测量的不足。整个测量系统包括激光器(1)、声光开关(2)、光学系统(3)、谐振腔固定装置(8)、衰荡光信号测量装置(15)和主控计算机(14)，激光器发出激光束，经声光开关、光学系统入射到待测谐振腔中并产生谐振光，当谐振光光强大于预先设定的声光开关关断阈值时，关断声光开关，使待测谐振腔产生多个模式的衰荡光，该衰荡光经光电转换、模数转换后传输到主控计算机，主控计算机对采集的数据进行数据拟合和计算，得到多个激光模式的损耗。本发明具有同时测量光学谐振腔多个激光模式损耗的优点，适用于光学谐振腔损耗的高效测量。

Description

基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种光学谐振腔的测量系统，主要用于对光学谐振腔损耗的测量。

背景技术

目前，关于光学谐振腔损耗的测量方法有多种，例如：基于DF透反仪的直接测量法，基于测量光学谐振腔自由光谱范围的频谱法，和基于测量光学谐振腔衰减时间常数的光腔衰荡法。使用DF透反仪的直接测量方法简单，但只适用于高损耗测量和对测量精度要求不高的情况；基于测量光学谐振腔自由光谱范围的频谱法，因损耗值越小测量难度越高，故只适用于中、高损耗的情况；基于测量光学谐振腔衰减时间常数的光腔衰荡法，损耗越低测量越精确，与光学谐振腔损耗值越来越小的发展趋势相符合，且不受光学谐振腔入射激光光强稳定性的影响，成为光学谐振腔损耗高精度测量的主流方法。

目前，国内在基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量方面较新的应用，参见《光腔衰荡法高反射率测量技术综述》(李斌成等，激光与光电子学进展，2010)一文，该文献对基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量方法在原理和装置上都做了详细论述。该方法在低损耗的情况下，达到了较高的测量精度，但普遍存在的不足之处是只能针对光学谐振腔某个本征模式的损耗进行测量，而光学谐振腔往往会存在基模和众多的高阶模，这些模式的损耗对于评估光学谐振腔的性能是非常重要的。为实现测量光学谐振腔所有模式的损耗，测量系统必须进行较大改动且需要多次测量，极不方便，效率很低。为此，需要研制相应的测量系统，能对光学谐振腔众多模式的损耗进行同时测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量系统，以实现同时测量光学谐振腔多个激光模式的损耗，提高测量效率。

为实现上述目的，本发明的测量系统包括：激光器、球面反射镜、二维平行平板、偏振片、1/2波片、谐振腔固定装置、衰荡光信号测量装置和主控计算机，其中，激光器，采用单模扫频激光器，该激光器在压电陶瓷驱动器的控制下，输出频率呈周期性且连续线性变化的激光束，该激光器输出的激光束依次经过声光开关、球面反射镜、二维平行平板、偏振片和1/2波片，入射到谐振腔固定装置上放置的待测谐振腔中，在待测谐振腔中激发多个本征模式，产生谐振光；

激光器的后端设有声光开关，该声光开关在声光开关控制器的控制下，逐次快速切断激光器输出的各个模式的激光，使谐振腔固定装置上放置的待测谐振腔产生多个模式的衰荡光，待测谐振腔输出的衰荡光经过衰荡光信号测量装置进行光电转换、信号放大和数模转换后，分别传输到声光开关控制器和主控计算机上；

主控计算机中，设有控制模块和数据处理模块，该控制模块用于向压电陶瓷驱动器和声光开关控制器传输控制指令，该数据处理模块用于计算各激光模式的损耗。

利用上述系统对光学谐振腔损耗进行测量的方法，包括如下步骤：

(1)测量开始时，声光开关处于开启状态，主控计算机通过USB接口向声光开关控制器发送控制信号和声光开关关断阈值信号；

(2)激光器在压电陶瓷驱动器的控制下输出频率呈周期性且线性变化的激光束，该激光束入射到待测谐振腔中产生谐振光，该谐振光经过衰荡光信号测量装置转换为数字电压信号，该数字电压信号传输到声光开关控制器上与预先设定的声光开关关断阈值进行比较，当该数字电压信号的电压值达到声光开关关断阈值时，声光开关控制器关断声光开关，使待测谐振腔输出多个模式的衰荡光信号，该衰荡光信号经衰荡光信号测量装置转换成数字电压信号后，通过USB接口输出到主控计算机上，主控计算机利用改进的指数拟合公式对此数字电压信号离散的电压值U(n)进行数据拟合，得到指数衰减曲线，改进的指数拟合公式为：

$U\left(n\right)=b_1+b_2\exp (-\frac{n-a}{b_3})+b_2\exp (-(n-a){\mathrm{\ω}}_0),$

其中，a为衰减曲线衰减的起始位置，b₁为系统偏置电压或系统噪声，b₂为衰减起始位置a处的电压值，b₃为衰减时间常数τ对应的数据点数，需要在拟合前确定，ω₀为衰荡光信号测量装置中光电探测器的截止角频率。

(3)主控计算机根据数据拟合后得到的衰荡光指数衰减曲线的时间常数τ，利用以下公式计算出待测谐振腔的损耗值δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{L}{\mathrm{c\τ}}$

其中，时间常数τ为待测谐振腔输出激光的功率从P0衰减到P0/e所用的时间，e为自然对数，L为待测谐振腔腔长，c为光速。

本发明具有以下优点：

1)本发明由于采用单模扫频激光器，该激光器在压电陶瓷驱动电路的控制下，输出频率呈周期性且连续线性变化的激光束，在激光器的一个扫频周期内，激发多个本征模式，实现了对多个本征模式损耗的同时测量。

2)本发明由于采用声光开关，实现逐次快速切断激光器输出的多个模式的激光，产生多个模式的衰荡光信号，进一步保证了对多个激光模式的损耗进行同时测量，提高了测量效率。

3)本发明中的压电陶瓷驱动电路，由DDS信号发生器和高压放大模块组成，实现灵活调节输出电压波形，进而灵活调节激光器输出激光的频率与幅值。

4)本发明采用球面反射镜和二维平行平板的组合，可同时精细调节入射到待测谐振腔的激光束入射角度和平移量，对入射激光束与待测谐振腔进行模式匹配，有效减少模式间交叉耦合，提高耦合效率。

5)本发明由于采用偏振片和1/2波片，实现根据测量需要，转换入射到待测谐振腔的激光束偏振态、偏振方向和光强，滤除杂散光引起的噪声干扰，提高了测量精度。

6)本发明中主控计算机上的数据处理模块采用专门的数据拟合算法，根据声光开关和光电探测器的响应时间对衰荡光的影响，对指数拟合模型进行了改进，添加了修正项，提高了系统测量的准确度和稳定度。

附图说明

图1是本发明光学谐振腔损耗测量系统结构框图；

图2是本发明使用光腔衰荡法测量光学谐振腔损耗的原理示意图；

图3是本发明使用光腔衰荡法测量光学谐振腔损耗的流程图；

图4是待测谐振腔输出衰荡光指数衰减曲线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细地描述本发明的系统结构。

参照图1，本发明的测量系统包括激光器1、声光开关2、光学系统3、谐振腔固定装置8、衰荡光信号测量装置15和主控计算机14。其中：

激光器1，采用单模扫频激光器，其上附有压电陶瓷，通过控制压电陶瓷，可调节激光器1输出激光的频率，该激光器输出的激光传输给位于激光器1后端的声光开关2。

声光开关2，在声光开关控制器11的控制下逐次快速切断激光器1输出的多个模式的激光。

光学系统3，位于声光开光2之后，它包括球面反射镜4、二维平行平板5、偏振片6和1/2波片7，球面反射镜4置放于声光开关2的后端，在该球面反射镜4之后依次放置有二维平行平板5、偏振片6和1/2波片7；通过球面反射镜4和二维平行平板5可精确调节入射激光的角度和位置，降低光路调节难度，提高入射激光与待测谐振腔的耦合效率；偏振片6和1/2波片7可根据测量需要，调节和转换入射到待测谐振腔的激光偏振态、偏振方向和光强。

谐振腔固定装置8，放置于光学系统3之后，用于放置待测谐振腔，激光器1输出的激光束经由声光开关2和光学系统3入射到放置于谐振腔固定装置8上的待测谐振腔中，待测谐振腔产生并输出谐振光或者衰荡光。

衰荡光信号测量装置15，位于谐振腔固定装置8之后，它包括光电探测器9、A/D模数转换器10、声光开关控制器11、压电陶瓷驱动器12和USB接口13，光电探测器9位于谐振腔固定装置8的后端，A/D模数转换器10位于光电探测器9之后，A/D模数转换器10又同时连接至声光开关控制器11和USB接口13，光电探测器9将入射光信号转换为模拟电压信号，该模拟电压信号经A/D模数转换器10转换为数字电压信号，并通过USB接口13输出给主控计算机14。

主控计算机14，设有控制模块和数据处理模块，该控制模块由USB驱动和界面程序组成，USB驱动主控计算机14分别与压电陶瓷驱动器12和声光开关控制器11通信，传输控制指令，界面程序将采集到的数据进行实时显示并保存；数据处理模块完成对待测谐振腔损耗的测量。

利用上述系统进行损耗测量的原理参照图2说明如下：

激光器17在压电陶瓷驱动器16的控制下，输出频率随时间呈周期性且连续线性变化的激光束并通过开启的声光开关18入射到待测谐振腔19中，当激光器17输出激光的频率接近待测谐振腔19的某一个谐振频率时，待测谐振腔19输出光强逐渐增大，并经光电探测器20进行光电转换，当光强大于某个阈值22时，比较器23给声光开关18一个关断信号，切断待测谐振腔19的激励光源，由于待测谐振腔19存在损耗，其输出光强将逐渐衰减，当损耗远远小于1时，待测谐振腔19输出光强呈指数曲线衰减变化，指数曲线的时间常数τ和待测谐振腔某个模式的损耗δ有如下关系：

$\mathrm{\δ}=\frac{L}{\mathrm{\τc}}$

其中，L为待测谐振腔腔长，c为光速，τ为指数曲线的时间常数，δ为模式损耗。只要测量得到某激光模式的指数衰减曲线，经过数据处理系统21进行数据拟合得到时间常数τ，就可以由上式计算出此激光模式的损耗值。

参照图3，利用本发明系统进行光学谐振腔激光模式损耗的测量步骤如下：

步骤一，开启声光开关，主控计算机通过USB接口向声光开关控制器发送控制信号和声光开关关断阈值信号。

步骤二，激光器在压电陶瓷驱动器的控制下输出频率呈周期性且线性变化的激光束，该激光束入射到待测谐振腔中产生谐振光，该谐振光经过衰荡光信号测量装置转换为数字电压信号，该数字电压信号传输到声光开关控制器上与预先设定的声光开关关断阈值进行比较，当该数字电压信号的电压值达到声光开关关断阈值时，声光开关控制器关断声光开关，使待测谐振腔输出多个模式的衰荡光信号，衰荡光信号的光强I(t)表示为：

I(t)＝I₀exp(-t/τ)，

其中，I₀为t＝0时的光强，τ为时间常数。

步骤三，光电探测器将将衰荡光信号的光强I(t)转换为模拟电压U(t)信号，表示为：

U(t)＝U₀exp(-t/τ)，

其中，U₀为t＝0时的电压，τ为时间常数，A/D转换器将模拟电压U(t)信号采样量化为离散的电压值U(n)。

步骤四，主控计算机中的数据处理模块采用以下改进的指数拟合公式，对步骤三中离散的电压值U(n)进行指数拟合：

$U\left(n\right)=b_1+b_2\exp (-\frac{n-a}{b_3})+b_2\exp (-(n-a){\mathrm{\ω}}_0),$

其中，a为衰减曲线衰减的起始位置，b₁为系统偏置电压或系统噪声，b₂为衰减起始位置a处的电压值，b₃为衰减时间常数τ对应的数据点数，需要在拟合前确定，ω₀为光电探测器的截止角频率，n为离散的数据点。

步骤五，采用步骤四中的指数拟合公式对步骤三中离散的电压值U(n)进行数据拟合后，即可得到待测谐振腔输出衰荡光指数衰减曲线如图4中圆点曲线所示，从图4中指数衰减曲线中获得时间常数τ，该时间常数τ为待测谐振腔输出激光的功率从P0衰减到P0/e所用的时间，e为自然对数。

步骤六，根据待测谐振腔腔长L和时间常数τ，利用以下公式，计算出待测谐振腔损耗值δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{L}{\mathrm{\τc}},$

其中，c为光速。

Claims (7)

1.一种基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量系统，包括激光器(1)、球面反射镜(4)、二维平行平板(5)、偏振片(6)、1/2波片(7)、谐振腔固定装置(8)、衰荡光信号测量装置(15)和主控计算机(14)，其特征在于：

所述衰荡光信号测量装置(15)，包括光电探测器(9)、A/D模数转换器(10)、声光开关控制器(11)、压电陶瓷驱动器(12)和USB接口(13);

激光器(1)，采用单模扫频激光器，该激光器在压电陶瓷驱动器(12)的控制下，输出频率呈周期性且连续线性变化的激光束，该激光器(1)输出的激光束依次经过声光开关(2)、球面反射镜(4)、二维平行平板(5)、偏振片(6)和1/2波片(7)，入射到谐振腔固定装置(8)上放置的待测谐振腔中，在待测谐振腔中激发多个本征模式，产生谐振光；

激光器(1)的后端设有声光开关(2)，该声光开关在声光开关控制器(11)的控制下，逐次快速切断激光器(1)输出的各个模式的激光，使谐振腔固定装置(8)上放置的待测谐振腔产生多个模式的衰荡光，待测谐振腔输出的衰荡光经过光电探测器(9)对待测谐振腔输出的激光信号进行光电转换和信号放大，并经过A/D模数转换器(10)将模拟信号转换成数字信号，该数字信号分为两路同时传输，一路通过USB接口(13)传输到主控计算机(14)上进行数据显示和处理，另一路传输到声光开关控制器(11)中与预先设定的声光开关关断阈值进行比较，判断声光开关(2)通与关；

主控计算机(14)中，设有控制模块和数据处理模块，该控制模块用于向压电陶瓷驱动器(12)和声光开关控制器(11)传输控制指令，该数据处理模块用于计算各激光模式的损耗。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，球面反射镜(4)和二维平行平板(5)放置在声光开关(2)与谐振腔固定装置(8)之间，用于调节激光器(1)输出的激光束入射到待测谐振腔的角度和平移量，以提高耦合效率。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，偏振片(6)和1/2波片(7)依次放置在二维平行平板(5)之后，用于根据测量需要调节入射到待测谐振腔的激光束偏振态、偏振方向和光强。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于压电陶瓷驱动器(12)，由DDS信号发生器和高压放大模块组成，DDS信号发生器在主控计算机(14)的控制下，产生0～5V的锯齿波电压信号，该电压信号通过高压放大模块放大为0～240V的电压锯齿波信号，输出给激光器(1)。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于控制模块，包括USB驱动和界面程序子模块，USB驱动子模块驱动主控计算机(14)分别与压电陶瓷驱动器(12)和声光开关控制器(11)通信，传输控制指令，界面程序子模块将采集到的数据进行实时显示并保存。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，声光开关(2)的响应时间为15ns。

7.一种利用权利要求1所述系统对光学谐振腔损耗进行测量的方法，包括如下步骤：

（1）测量开始时，声光开关处于开启状态，主控计算机通过USB接口向声光开关控制器发送控制信号和声光开关关断阈值信号；

（2）激光器在压电陶瓷驱动器的控制下输出频率呈周期性且线性变化的激光束，该激光束入射到待测谐振腔中产生谐振光，该谐振光经过衰荡光信号测量装置转换为数字电压信号，该数字电压信号传输到声光开关控制器上与预先设定的声光开关关断阈值进行比较，当该数字电压信号的电压值达到声光开关关断阈值时，声光开关控制器关断声光开关，使待测谐振腔输出多个模式的衰荡光信号，该衰荡光信号经衰荡光信号测量装置转换成数字电压信号后，通过USB接口输出到主控计算机上，主控计算机利用以下改进的指数拟合公式对此数字电压信号离散的电压值U(n)进行数据拟合，得到指数衰减曲线：

$U\left(n\right)=b_1+b_2\exp (-\frac{n-a}{b_3})+b_2\exp (-(n-a){\mathrm{\ω}}_0),$

其中，a为衰减曲线衰减的起始位置，b₁为系统偏置电压或系统噪声，b₂为衰减起始位置a处的电压值，b₃为衰减时间常数τ对应的数据点数，需要在拟合前确定，ω₀为衰荡光信号测量装置中光电探测器的截止角频率，n为离散的数据点；

（3）主控计算机根据数据拟合后得到的衰荡光指数衰减曲线的时间常数τ，利用以下公式计算出待测谐振腔的损耗值δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{L}{\mathrm{c\τ}}$

其中，时间常数τ为待测谐振腔输出激光的功率从P0衰减到P0/e所用的时间，e为自然对数，L为待测谐振腔腔长，c为光速。

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