CN102721529B - 大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法 - Google Patents

Abstract

大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，根据光腔衰荡技术原理，将第i束激光(i＝1，…N，N＞2)注入由高反射镜构成稳定的第i个初始光学谐振腔，记录光腔衰荡信号，并利用单指数函数拟合得到第i个初始光学谐振腔在第i束激光波长处的衰荡时间τ_0i；同样，在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测大口径反射光学元件构成稳定的第i个测试光学谐振腔，待测大口径反射光学元件置于二维位移平台上，记录光腔衰荡信号，并利用单指数函数拟合得到第i个测试光学谐振腔在第i束激光波长处的衰荡时间τ_i，通过τ_0i和τ_i可得到待测高反射镜在第i束激光波长处的反射率R_i，通过移动二维位移平台可以对待测大口径反射光学元件实现反射率二维成像测量。

Description

大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量高反射镜反射率的方法，特别涉及一种大口径反射光学元件高反射率扫描成像测量的多波长集成方法。

背景技术

近年来，随着高功率激光技术的发展及其应用范围的日益扩大，大口径反射光学元件（通常指大于0.3m）在大型激光系统中得到了越来越广泛的使用，大口径反射光学元件的反射率及其均匀性与激光系统能否正常运行密切相关，以致膜层的均匀性已成为大口径光学薄膜不可缺少的性能指标。对于大口径反射光学元件，只有定量地测出光学薄膜不同位置的反射率，才有可能为进一步提高光学薄膜质量开展相应的研究工作。

目前，光腔衰荡技术是精确测量高反射光学元件反射率的主要方法(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“一种高反镜高反射率的测量方法”、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”以及中国专利申请号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”均使用光腔衰荡技术实现高反射率测量，但都只是针对单点反射率测量，未给出反射率均匀性测量方法。中国专利申请号201010608932.6的发明专利“一种反射率综合测量方法”和易亨瑜等提出的大口径元件反射率扫描测量系统(易亨瑜，彭勇，胡晓阳；大口径元件反射率的镜面扫描精密测量系统，《强激光与粒子束》，2005，17：1601)中虽然给出了反射率均匀性测量方法，但其装置均只适用于某单一波段反射率测量。

上述测量方法和装置都是针对某一波段而设计的，一套装置不能测量多个不同波段反射光学元件的反射率，这就意味着对不同波段反射光学元件反射率的测量需多套独立的测试装置。对于大口径反射光学元件反射率成像扫描测量，高精度、高空间分辨率、大移动范围的二维位移平台是核心部件，该二维位移平台成本在几十万甚至几百万（取决于光学元件尺寸），占测量装置总成本的80%~90%以上，若每个波段反射率测量装置中都使用一个这样的二维位移平台其成本是巨大的。因此，发展一种多个波段共用一套二维位移平台的大口径反射光学元件反射率的集成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：克服现有高反射镜反射率测量装置的不足，提出了一种大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，实现了一台测试仪器可以对多个波长处的高反射率二维成像扫描测量，实现了多个波段共用一套高速、高精度、高空间分辨率二维位移平台，极大地降低了系统成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将多个不同波长的高反射率测量装置集成在一起，各波长激光束共用一套二维位移平台，实现大口径反射光学元件反射率扫描成像测量。集成的N束激光束入射到置于二维位移平台的待测大口径反射光学元件时，N束激光束(N≥2)可以是相互平行或以一定角度相交。分别得到第i个初始光学谐振腔和测试光学谐振腔在第i束激光波长处的衰荡时间τ_0i和τ_i(x,y)，其中(x,y)坐标代表第i束激光在待测大口径反射光学元件上的位置，利用根据公式其中L_0i为第i个初始光学谐振腔腔长，L_i为第i个测试光学谐振腔腔长，c为光束，计算得到待测大口径反射光学元件的反射率，通过移动二维位移平台可以实现待测大口径反射光学元件反射率的二维扫描成像测量，二维位移平台每步进一次，就记录一次光腔衰荡信号，拟合出衰荡时间，进而可计算出待测大口径反射光学元件上第i束激光束照射(x,y)位置处反射率R_i(x,y)。

具体实现步骤如下：

（1）集成了N束(N≥2)不同波段的激光束，第i束(i＝1，…，N)激光注入由高反射镜构成稳定的第i个初始光学谐振腔，记录光腔衰荡信号，并利用单指数函数拟合出第i个初始光学谐振腔在第i束激光波长处的衰荡时间τ_0i；

（2）在第i个初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测大口径反射光学元件，构成稳定的第i个测试光学谐振腔，待测大口径反射光学元件置于高精度、大移动范围二维位移平台上，位移平台每步进一次，就记录一次光腔衰荡信号，并利用单指数函数拟合出第i束激光在待测大口径反射光学元件表面(x,y)位置处时第i个测试光学谐振腔的衰荡时间τ_i(x,y)，通过τ_0i和τ_i(x,y)可得到待测大口径反射光学元件表面(x,y)位置在第i束激光波长处的反射率R_i(x,y)，通过扫描位移平台位置，得到待测大口径反射光学元件的反射率分布图。

所述的N束激光束共用一套二维位移平台。

所述的二维位移平台可实现水平方向和垂直方向线性步进移动。

所述的二维位移平台在水平方向可整体任意转动，满足不同入射角度的大口径反射光学元件测量需求。

所述的二维位移平台可以通过控制软件实现步进线性扫描，也可以通过手动调节实现步进线性扫描。

所述的N束激光束入射到待测大口径反射光学元件时可以是平行或以一定角度相交的。

所述的置于二维位移平台上的待测大口径反射光学元件可以实现俯仰角度的精细调节。

所述的待测大口径反射光学元件表面(x,y)位置在第i束激光波长处的反射率R_i(x,y)，可根据公式计算得出，其中L_0i为第i个初始光学谐振腔腔长，L_i为第i个测试光学谐振腔腔长，c为光束。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明利用光腔衰荡技术测量大口径反射光学元件反射率，可集成多个不同波长激光光源，并且各路激光束共用一套二维位移平台，极大地降低了系统成本。一台测试仪器可以实现多个不同波段大口径反射光学元件反射率二维扫描成像测量，具有一机多用功能。

附图说明

图1为本发明实现的一种N束激光束平行入射到待测大口径反射光学元件的集成方法示意图，在该实施例中，采用直型初始光学谐振腔；

图2为本发明实现的一种N束激光束以一定角度相交入射到待测大口径反射光学元件的集成方法示意图，在该实施例中，采用直型初始光学谐振腔；

图3为本发明实现的一种N束激光束平行入射到待测大口径反射光学元件的集成方法示意图，在该实施例中，采用折叠式初始光学谐振腔；

图4为本发明实现的一种N束激光束以一定角度相交入射到待测大口径反射光学元件的集成方法示意图，在该实施例中，采用折叠式初始光学谐振腔。

具体实施方式

如图1所示，实现本发明方法的一种大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法。图1中：1为第一束激光光源、2为模式匹配透镜组、3和4为在第一束激光波段的平凹高反射镜、5为聚焦透镜、6为光电探测器、7为计算机、14为二维位移平台、15为待测大口径反射光学元件；8为第i束激光光源、9为模式匹配透镜组、10和11为在第i束激光波段的平凹高反射镜、12为聚焦透镜、13为光电探测器，图中粗线为光路，细线为连接线。

光源1输出激光束经模式匹配透镜组2整形后通过一平凹高反射镜3注入第一个初始光学谐振腔；两块平凹高反射镜3、4在光源1输出激光波长处反射率大于99%，初始光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，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；两块平凹高反射镜3、4垂直于光路放置，且使入射激光束从镜面中心通过，激光束从一个平凹高反射镜3透射后进入光学谐振腔，随着激光束的注入，光学谐振腔内能量逐渐增加，当入射激光束被迅速关断后，光学谐振腔内光能量会由于腔镜透射而逐渐减小，部分激光能量从另一平凹高反射镜4输出，从光学谐振腔后腔镜透射的激光束由聚焦透镜5聚焦到光电探测器6，光电探测器6输出信号由数据采集卡或示波器记录并输入计算机7存储及处理。将记录的光腔衰荡信号利用拟合程序按照单指数衰减函数：（A₀₁，B₀₁为常系数，t为时间），拟合出第一个初始光学谐振腔在第一束激光波长处的衰荡时间τ₀₁。

光源8输出的第i束激光（i＝2,…N）经模式匹配透镜组9整形后通过平凹高反射镜10注入第i个初始光学谐振腔；两块平凹高反射镜10，11在光源8输出激光波长处反射率大于99%，初始光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，腔长L_0i满足0＜L_0i<2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径；两块平凹高反射镜垂直于光路放置，且使入射激光束从镜面中心通过，激光束从平凹高反射镜10透射后进入光学谐振腔，垂直入射到平凹高反射镜11中心，部分激光能量从平凹高反射镜11输出，从光学谐振腔后腔镜透射的激光束由聚焦透镜12聚焦到光电探测器13，光电探测器13输出信号由数据采集卡或示波器记录并输入计算机7存储及处理。将记录的光腔衰荡信号利用拟合程序按照单指数衰减函数：（A_0i，B_0i为常系数，t为时间），拟合出第i个初始光学谐振腔在第i束激光波长处的衰荡时间τ_0i。

如图1中虚线所示，在平凹高反射镜3，4（或10，11）之间为加入待测大口径反射光学元件15后构成的第一个（或第i个）测试光学谐振腔，待测大口径反射光学元件15置于二维位移平台14之上，调整二维位移平台14角度，使入射角度为待测大口径反射光学元件15的使用角度，可测量反射率大于99%的平面高反射镜的不同入射角下的反射率。第一束激光束和第i束激光束之间相互平行。相应地移动平凹高反射镜4、聚焦透镜5和光电探测器6（或平凹高反射镜11、聚焦透镜12和光电探测器13）的位置构成稳定的第一个（或第i个）测试光学谐振腔。利用二维位移平台14移动待测高反射15的横向位置（x，y）可实现大口径反射光学元件反射率的扫描测量，其中（x，y）代表入射激光束在待测高反射15上的位置坐标。记录第一个（或第i个）测试光学谐振腔的光腔衰荡信号利用拟合程序按照单指数衰减函数：（A_i，B_i为常系数，t为时间），拟合出第一个（或第i个）激光束在待测大口径反射光学元件15上（x，y）位置时测试光学谐振腔在第一个（或第i个）激光波长处的衰荡时间τ1₍x,y)（或τ_i(x,y)）。根据公式可计算得出待测大口径反射光学元件15表面(x,y)位置在第一束激光波长处的反射率R₁(x,y)，其中L₀₁为第一个初始光学谐振腔腔长，L₁为第一个测试光学谐振腔腔长，c为光束。同样，根据公式可计算得出待测大口径反射光学元件15表面（x，y）位置在第i束激光波长处的反射率R_i(x，y)，其中L_0i为第i个初始光学谐振腔腔长，L_i为第i个测试光学谐振腔腔长。

图1所示的N束激光之间相互平行，图2给出了N束激光相交入射到待测大口径反射光学元件15。第i束激光和第一束激光之间的夹角为θ_i，通常情况下100<θ_i<800。图2所示装置的光学谐振腔结构以及反射率的测量方法与图1所示的完全一致，只是改变了N束激光之间的相对位置（角度）。

本发明中的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔可以采用频率选择性光反馈光腔结构。如图3所示的第一个初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反射镜3、4和一块平面高反射镜16构成，平面高反射镜16为入射腔镜且倾斜于光轴放置；光源1输出的第一束激光束从平面高反射镜16透射后垂直入射到垂直于光轴放置的另一平凹高反射镜4，激光束被另一平凹高反射镜4反射后按原路返回至平面高反射镜16，然后又被平面高反射镜16再次反射，反射光垂直入射到一个平凹高反射镜3，部分激光能量从另一平凹高反射镜4输出。在第一个初始光学谐振腔的平凹高反射镜4和平面高反射镜16之间根据使用角度插入置于二维位移平台14上的待测大口径反射光学元件15，构成稳定的第一个测试光学谐振腔，入射激光束透过平面高反射镜16后，先后经过另一平凹高反射镜4和平面高反射镜16反射后，入射到待测大口径反射光学元件15，入射角为待测大口径反射光学元件15使用角度，改变一个平凹高反射镜3的位置使从待测大口径反射光学元件15反射的激光束垂直入射到平凹高反射镜3。同样，光源8输出的第i束激光束入射到由平凹高反射镜10、11和平面高反射镜17构成的第i个初始光学谐振腔，在第i个初始光学谐振腔的平凹高反射镜10和平面高反射镜17之间根据使用角度插入待测大口径反射光学元件15，构成稳定的第i个测试光学谐振腔。光源8输出的第i束激光束和光源1输出的第一束激光束相互平行地入射到待测大口径反射光学元件15。

如图4所示结构同样为初始光学谐振腔和测试光学谐振腔采用频率选择性光反馈光腔结构。与图3的不同之处在于光源8输出的第i束激光束和光源1输出的第一束激光束以一定角度相交入射到待测大口径反射光学元件15，第i束激光束和光源1输出的第一束激光束入射到待测大口径反射光学元件15时的夹角为θ_i。

总之，本发明提出了大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，其可以集成多个从紫外到中远红外的各波段激光器，一套装置可以实现多个不同波段大口径反射光学元件反射率成像或均匀性测量，并且各路激光束共用一套高速、高精度、高空间分辨率二维位移平台，这样大大降低了系统成本。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，其特征在于实现如下：

(1)第一光源(1)输出激光束经第一模式匹配透镜组(2)整形后通过第11平凹高反射镜(3)注入第一个初始光学谐振腔；第11平凹高反射镜(3)和第12平凹高反射镜(4)在第一光源(1)输出激光波长处反射率大于99％，初始光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，腔长L₀₁满足0<L₀₁<2r，其中r为第11平凹高反射镜和第12平凹高反射镜凹面的曲率半径；第11平凹高反射镜(3)和第12平凹高反射镜(4)垂直于光路放置，且使入射激光束从镜面中心通过，激光束从第11平凹高反射镜(3)透射后进入光学谐振腔，随着激光束的注入，光学谐振腔内能量逐渐增加，当入射激光束被迅速关断后，光学谐振腔内光能量会由于腔镜透射而逐渐减小，部分激光能量从第12平凹高反射镜(4)输出，从第12平凹高反射镜(4)透射的激光束由第一聚焦透镜(5)聚焦到第一光电探测器(6)，第一光电探测器(6)输出信号由数据采集卡或示波器记录并输入计算机(7)存储及处理，将记录的光腔衰荡信号利用拟合程序按照单指数衰减函数：A₀₁，B₀₁为常系数，t为时间，拟合出第一个初始光学谐振腔在第一束激光波长处的衰荡时间τ₀₁；

(2)第i光源(8)输出的第i束激光i＝2,…N，经第i模式匹配透镜组(9)整形后通过第i1平凹高反射镜(10)注入第i个初始光学谐振腔；第i1平凹高反射镜(10)和第i2平凹高反射镜(11)在第i光源(8)输出激光波长处反射率大于99％，初始光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，腔长L_0i满足0<L_0i<2r，其中r为第i1平凹高反射镜和第i2平凹高反射镜凹面的曲率半径，与第11平凹高反射镜和第12平凹高反射镜凹面的曲率半径相同；第i1平凹高反射镜(10)和第i2平凹高反射镜(11)垂直于光路放置，且使入射激光束从镜面中心通过，激光束从第i1平凹高反射镜(10)透射后进入光学谐振腔，垂直入射到第i2平凹高反射镜(11)中心，部分激光能量从第i2平凹高反射镜(11)输出，从第i2平凹高反射镜(11)透射的激光束由第i聚焦透镜(12)聚焦到第i光电探测器(13)，第i光电探测器(13)输出信号由数据采集卡或示波器记录并输入计算机(7)存储及处理，将记录的光腔衰荡信号利用拟合程序按照单指数衰减函数：A_0i，B_0i为常系数，t为时间，拟合出第i个初始光学谐振腔在第i束激光波长处的衰荡时间τ_0i；

(3)在第11平凹高反射镜(3)和第12平凹高反射镜(4)或第i1平凹高反射镜(10)和第i2平凹高反射镜(11)之间为加入待测大口径反射光学元件(15)后构成的第一个或第i个测试光学谐振腔，待测大口径反射光学元件(15)置于二维位移平台(14)之上，调整二维位移平台(14)角度，使入射角度为待测大口径反射光学元件(15)的使用角度，可测量反射率大于99％的平面高反射镜的不同入射角下的反射率，第一束激光束和第i束激光束之间相互平行，相应地移动第12平凹高反射镜(4)、第一聚焦透镜(5)和第一光电探测器(6)或第i2平凹高反射镜(11)、第i聚焦透镜(12)和第i光电探测器(13)的位置构成稳定的第一个或第i个测试光学谐振腔，利用二维位移平台(14)移动待测大口径反射元件(15)的横向位置(x，y)可实现大口径反射光学元件反射率的扫描测量，其中(x，y)代表入射激光束在待测大口径反射光学元件(15)上的位置坐标，记录第一个或第i个测试光学谐振腔的光腔衰荡信号利用拟合程序按照单指数衰减函数：A_i，B_i为常系数，t为时间，拟合出第一个或第i个激光束在待测大口径反射光学元件(15)上(x，y)位置时测试光学谐振腔在第一个或第i个激光波长处的衰荡时间τ₁(x,y)或τ_i(x,y)；根据公式计算得出待测大口径反射光学元件(15)表面(x,y)位置在第一束激光波长处的反射率R₁(x,y)，其中L₀₁为第一个初始光学谐振腔腔长，L₁为第一个测试光学谐振腔腔长，c为光速；同样，根据公式计算得出待测大口径反射光学元件(15)表面(x，y)位置在第i束激光波长处的反射率R_i(x,y)，其中L_0i为第i个初始光学谐振腔腔长，L_i为第i个测试光学谐振腔腔长。

2.根据权利要求1所述的大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，其特征在于：所述二维位移平台可实现水平方向和垂直方向线性步进移动。

3.根据权利要求1所述的大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，其特征在于：所述二维位移平台在水平方向可整体任意转动，满足不同入射角度的大口径反射光学元件测量需求。

4.根据权利要求1所述的大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，其特征在于：所述的二维位移平台通过控制软件实现步进线性扫描，或者通过手动调节实现步进线性扫描。

5.根据权利要求1所述的大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法，其特征在于：所述置于二维位移平台上的待测大口径反射光学元件可以实现俯仰角度的精细调节。