CN103454074B - 一种小孔径高反镜反射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小孔径高反镜反射率测量方法，将光强周期性调制的连续激光注入稳定初始谐振腔，在适当位置加上一定尺寸的小孔，由探测器探测衰荡信号，得到初始谐振腔内激光的衰荡时间τ0，算出平均反射率R0；同样，在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测高反射镜构成测试光学谐振腔，得到测试腔的衰荡时间τ1，算出待测高反射镜的反射率R1。本发明优点：可以应用光斑尺寸很大的激光光源测量小孔径高反镜反射率，不需要光束整形系统，简化了实验装置。

Description

一种小孔径高反镜反射率测量方法

技术领域

本发明涉及用于测量高反镜反射率的技术领域，特别涉及一种小孔径高反镜反射率的测量方法。

背景技术

近年来，高反射率薄膜光学元件在大型激光系统、引力波测量和痕量气体检测等领域的应用越来越多。而光腔衰荡技术是目前精确测量高反镜反射率的唯一方法。中国专利申请号200610165082.0的发明专利“高反射率的测量方法”、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”、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方法，实现了对高反镜反射率的精确测量。中国专利申请号201010593093.5的发明专利“双波长高反射率测量方法”实现了同时对多个波长高反镜反射率进行测量。

然而上述测量方法只能针对激光光束远小于待测镜口径的情况，当待测镜口径很小时上述方法不能实现对反射率的精确测量。随着激光技术的发展和激光系统的不断拓展，小口径高反镜在激光系统中的应用越来越广泛，例如激光陀螺中就会用到45o角入射的小口径高反镜。所以，实现对小口径高反镜反射率的精确测量是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有高反射率测量技术不能测量小口径高反镜反射率的缺点，提出了一种基于光腔衰荡技术的小孔径高反镜反射率测量方法。具有灵敏度高、装置简单的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小孔径高反镜反射率测量方法，其实现步骤如下：

步骤（1）、将光强周期调制的连续激光入射到初始光学谐振腔；

所述初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反镜凹面相对垂直于光轴放置组成，入射光从第一块平凹高反镜中心透过后垂直入射到第二块平凹高反镜，在两腔镜之间垂直光路加入小孔光阑，此后不再动小孔；或者初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反镜和一块平面高反镜构成，平面高反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镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反镜，激光束被第一块平凹高反镜反射后按原路返回至平面高反镜，然后又被平面高反镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反镜，在平面高反镜与第二块腔镜之间垂直光路加入小孔光阑，此后不再动小孔；

步骤（2）、从初始光学谐振腔透射的激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光电探测器探测初始光学谐振腔的衰荡信号，当初始光学谐振腔的衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录初始光学谐振腔的衰荡信号，或者在调制信号的下降沿记录初始光学谐振腔的衰荡信号，得到衰荡时间τ0，进而得到初始腔各高反镜的平均反射率R0；

步骤（3）、在初始光学谐振腔内根据待测高反镜的使用角度加入待测高反镜，构成测试光学谐振腔；

所述测试光学谐振腔构成为：在步骤（1）所述的初始光学谐振腔的小孔和第二块平凹高反镜之间插入待测高反镜，入射到待测高反镜的光束入射角为待测高反镜的使用角度；

步骤（4）、从谐振腔透射的激光束由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光电探测器探测衰荡信号，当测试光学谐振腔输出衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录测试光学谐振腔输出的衰荡信号，或者在调制信号的下降沿记录测试光学谐振腔的衰荡信号，得到激光束在测试光学谐振腔内的衰荡时间τ1，通过计算得待测高反射镜的反射率R1。

所述的小孔孔径大小依据待测镜孔径而定，原则是小孔孔径与待测镜使用角度余弦的商小于待测镜的孔径。

步骤（3）所述的待测高反镜要尽量靠近小孔。

步骤（3）所述的测试光学谐振腔腔长要与步骤（3）所述的初始光学谐振腔腔长保持一致。

所述的连续激光由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生。

所述的用于搭建初始和测试衰荡腔的高反镜的反射率大于99%。

所述的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔或共焦腔，总腔长L满足0<L≤2R。

所述的步骤（2）和（4）中触发关断两入射激光束通过以下方式之一实现：

a.采用连续半导体激光器时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，快速关闭半导体激光器激励电流或电压；

b.采用连续半导体或固体激光器或气体激光器时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，在激光器和入射双波长高反射腔镜之间采用快速光开关来关闭激光束；

c.采用方波调制快速光开关，或方波调制激光激励电源时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，利用方波下降沿来关闭激光束。

所述步骤（2）中的初始光学谐振腔和所述步骤（4）中的测试光学谐振腔的光腔衰荡信号由示波器或数据采集卡记录。

将步骤（2）中初始光学谐振腔输出信号聚焦到光电探测器，测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出初始光学谐振腔的衰荡时间τ0；A，B为常系数；同样，在测试光学谐振腔情况下，将步骤（4）中测试光学谐振腔输出信号聚焦到光电探测器，测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出测试光学谐振腔的衰荡时间τ1，根据公式计算得到待测高反射镜的反射率R13，L0为初始光学谐振腔长，L1为测试光学谐振腔长。

所述的快速光开关是电光调制开关或声光调制开关。

本发明与现有技术相比具有如下技术优点：

1、本发明基于光腔衰荡技术实现对小口径高反镜反射率的测量，完成了以往方法无法完成的小口径高反镜反射率精确测量任务。

2、本发明还具有装置简单、操作容易、精确度高等优点。

3、本发明操作简单，只需要在原有光腔衰荡技术中加入一个小孔即可。

4、本发明还具有装置简单、精确度高等优点。

附图说明

图1为本发明的一种初始直型光学谐振腔测量装置示意图，在该实施例中，采用方波调制半导体激光器作为光源，在方波下降沿关断激光束；

图2为本发明的一种初始直型光学谐振腔测量装置示意图，在该实施例中，采用快速光开关关断激光束；

图3为本发明的一种初始直型的测试光学谐振腔的结构示意图，其中图3（b）是图3（a）的局部放大图；

图4为本发明的初始折叠型光学谐振腔测量装置示意图；

图5为本发明的初始折叠型的测试光学谐振腔的结构示意图。

图1中：1为连续激光光源；2为辅助激光光源；3为反射镜；4为分光镜；5、6为曲率半径为R的平凹高反镜；7为双突透镜；8为光电探测器；9为信号采集卡；10为计算机；11为函数发生卡；12为可调节孔径大小的小孔。图3中：13为待测高反镜。图中的粗线为光路，细线为连接线。

具体实施方式

下面结合图1至图5所述的测量系统描述本发明的小口径高反镜反射率的测量方法。

光源1选用连续半导体激光器，采用方波调制输出；反射镜3和双光束分光镜4构成准直系统；两块平凹高反镜5、6在光源1波长处的反射率大于99%，衰荡腔为稳定光学谐振腔，腔长满足0<L≤2R；两块平凹高反镜垂直光路放置，且使激光束从镜面中心通过，激光束从第一块平凹高反镜进入谐振腔，在谐振腔内加入适当小孔并保持位置不变，随着激光束注入，谐振腔能量逐渐增加，当入射激光束被迅速关断后，光学谐振腔内能量会由于腔镜透射而减小，部分激光能量从第二块平凹高反镜输出，然后由聚焦透镜7聚焦到光电探测器8，由探测器输出信号并由采集卡9记录，然后输入计算机10并且存储。光源1采用函数发生卡方波同步调制输出，在方波下降沿处激光束被快速关断，当光学谐振腔输出信号幅值在方波下降沿处大于预先设定阈值时，计算机控制数据采集卡采集衰荡信号。将采集卡采集的衰荡信号利用单指数衰减函数拟合（A，B为常系数）拟合出初始光学谐振腔的衰荡时间τ0。

本发明中激光束的关断也可通过快速光开关实现，如图2所示。光源1、2采用连续半导体激光器或固体激光器或气体激光器，在激光器和入射腔镜之间加入快速光开关14，由计算机控制。当采集到的输出信号幅值大于阈值时（阈值通常设定为最大幅值的80%-90%左右），触发光开关关闭。

如图3所示为加入待测高反镜13后构成的测试光学谐振腔，可测量不同角度入射的反射率大于99%的高反镜反射率。在小孔与第二块平凹高反镜之间（尽量靠近小孔）加入待测高反镜，激光束透过第一块平凹高反镜后入射到待测高反镜，入射角为高反镜使用角度，改变第二块平凹高反镜的位置使从待测高反镜反射的激光束垂直入射到第二块平凹高反镜，构成稳定测试光学谐振腔，注意保持初始和测试腔长相同；当测试光学谐振腔输出信号幅值大于预先设定的阈值时，计算机控制采集卡采集衰荡信号。利用单指数拟合按公式拟合出测试腔衰荡时间τ1，再根据公式（其中L0为初始光学谐振腔长，L1为测试光学谐振腔长）计算得到待测高反镜的反射率。

本发明中的初始光学谐振腔也可采用折叠腔型，如图4所示。初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反镜5、6和一块平面高反镜15构成，平面高反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镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反镜，激光束被第一块平凹高反镜反射后按原路返回至平面高反镜，然后又被平面高反镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反镜，在平面高反镜与第二块平凹高反镜之间垂直光路加入小孔光阑，小孔孔径小于待测镜孔径，此后不再动小孔；在初始光学谐振腔的第二块平凹高反射镜和小孔之间（尽量靠近小孔）按使用角度插入待测高反射镜，入射激光束透过平面高反镜后，先后经过第一块平凹高反镜和平面高反镜后，入射到待测高反镜，从待测高反射镜镜反射的激光束垂直入射到第二块平凹高反镜，构成测试光学谐振腔，注意保持初始和测试腔长相同，如图5所示。

总之，本发明提出了小孔径高反镜反射率测量方法，测量结果综合了光腔衰荡高反射率测量方法的同时，能够对小孔径高反镜反射率精确测量，测量精度高成本低。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术的公知技术。

Claims (11)

1.一种小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于，其实现步骤如下：

步骤(1)、将光强周期调制的连续激光入射到初始光学谐振腔；

所述初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反镜凹面相对垂直于光轴放置组成，入射激光束从第一块平凹高反镜中心透过后垂直入射到第二块平凹高反镜，在两块平凹高反镜之间垂直光路加入小孔，此后不再动小孔；或者初始光学谐振腔由两块相同的平凹高反镜和一块平面高反镜构成，平面高反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镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反镜，激光束被第一块平凹高反镜反射后按原路返回至平面高反镜，然后又被平面高反镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反镜，在平面高反镜与第二块平凹高反镜之间垂直光路加入小孔，此后不再动小孔；

步骤(2)、从初始光学谐振腔透射的激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光电探测器探测初始光学谐振腔的衰荡信号，当初始光学谐振腔的衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录初始光学谐振腔的衰荡信号，或者在调制信号的下降沿记录初始光学谐振腔的衰荡信号，得到衰荡时间τ0，进而得到初始腔各高反镜的平均反射率R0；

步骤(3)、在初始光学谐振腔内根据待测高反镜的使用角度加入待测高反镜，构成测试光学谐振腔；

所述测试光学谐振腔构成为：在步骤(1)所述的初始光学谐振腔的小孔和第二块平凹高反镜之间插入待测高反镜，入射到待测高反镜的光束入射角为待测高反镜的使用角度；

步骤(4)、从谐振腔透射的激光束由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光电探测器探测衰荡信号，当测试光学谐振腔输出衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录测试光学谐振腔输出的衰荡信号，或者在调制信号的下降沿记录测试光学谐振腔的衰荡信号，得到激光束在测试光学谐振腔内的衰荡时间τ1，通过计算得待测高反镜的反射率R1。

2.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述的小孔孔径大小依据待测镜孔径而定，原则是小孔孔径与待测镜使用角度余弦的商小于待测高反镜的孔径。

3.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：步骤(3)所述的待测高反镜要尽量靠近小孔。

4.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：步骤(3)所述的测试光学谐振腔腔长要与步骤(3)所述的初始光学谐振腔腔长保持一致。

5.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述的连续激光由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生。

6.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：用于搭建初始和测试衰荡腔的高反镜的反射率大于99％。

7.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔或共焦腔，总腔长L满足0<L≤2R。

8.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述的步骤(2)和(4)中触发关断两入射激光束通过以下方式之一实现：

a.采用连续半导体激光器时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，快速关闭半导体激光器激励电流或电压；

b.采用连续半导体激光器或固体激光器或气体激光器时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，在激光器和第二块平凹高反镜之间采用快速光开关来关闭激光束；

c.采用方波调制快速光开关，或方波调制激光激励电源时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，利用方波下降沿来关闭激光束。

9.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的初始光学谐振腔和所述步骤(4)中的测试光学谐振腔的光腔衰荡信号由示波器或数据采集卡记录。

10.根据权利要求1所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：将步骤(2)中初始光学谐振腔输出信号聚焦到光电探测器，测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出初始光学谐振腔的衰荡时间τ0；A，B为常系数；同样，在测试光学谐振腔情况下，将步骤(4)中测试光学谐振腔输出信号聚焦到光电探测器，测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出测试光学谐振腔的衰荡时间τ1，根据公式计算得到待测高反射镜的反射率R1，L0为初始光学谐振腔长，L1为测试光学谐振腔长。

11.根据权利要求8所述的小孔径高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述的快速光开关是电光调制开关或声光调制开关。