CN103471815A - 一种同时测量高反镜s和p偏振光反射率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同时测量高反镜对S和P偏振光反射率的方法，将光强周期性调制的连续激光注入稳定初始谐振腔，由探测器探测衰荡信号，通过双指数拟合得到初始谐振腔内S和P偏振光的衰荡时间τ0S和τ0P，计算得到腔镜S和P偏振光的平均反射率R0S和R0P；同样，在初始光学谐振腔两腔镜间根据使用角度放入待测高反镜构成测试光学谐振腔，得到测试腔S和P偏振光的衰荡时间τ1S和τ1P，计算出待测高反镜对S和P偏振光的反射率RXS和RXP。本发明优点：避免了以往测量高反镜反射率未区分S和P偏振态所引起的误差，可以应用任意偏振特性的激光器测量待测高反镜对S和P偏振光的反射率，可以不用起偏器，测量装置简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量高反镜反射率的方法和装置，特别涉及一种同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法。
背景技术
近年来，高反射率薄膜光学元件在激光陀螺、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广泛。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。
上述测量方法均未考虑入射角较大（>30°）时，待测高反镜对S和P偏振光反射率的不同所造成的误差。随着激光技术的发展和激光系统的不断拓展，对高反镜S和P偏振反射率的精确测量显得日趋重要。所以，实现对高反镜S和P偏振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：避免以往测量高反镜反射率未区分S和P偏振态所引起的误差，提出了一种基于光腔衰荡技术的高反镜对S和P偏振光的反射率测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，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；
或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；
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，通过数据处理得到初始光学谐振腔内S和P偏振光的衰荡时间τ0S和τ0P，进而得到初始光学谐振腔各高反镜对S和P偏振光的平均反射率R0S和R0P；
步骤（3）、在初始光学谐振腔内根据待测高反镜的使用角度插入待测高反镜，构成测试光学谐振腔；
所述测试光学谐振腔构成具体为：在步骤（1）所述的初始光学谐振腔的两块平凹高反镜之间插入待测高反镜，待测高反镜的入射角为高反镜的使用角度；
步骤（4）、从测试光学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，通过数据处理得到S和P偏振光在测试光学谐振腔内的衰荡时间τ1S和τ1P，通过计算得待测高反镜对S和P偏振光的反射率RXS和RXP。
其中，所述的步骤（2）所述的数据处理为对衰荡信号进行双指数拟合，拟合所用的衰减函数为
（t为时间，τ0S为初始谐振腔S偏振光衰荡时间，τ0P为初始谐振腔P偏振光衰荡时间，A0S、A0P、C0为拟合参数），分别得到初始谐振腔S和P偏振光的衰荡时间τ0S和τ0P；同样，在步骤（4）所述测试光学谐振腔情况下，由衰减函数
（t为时间，τ1S为测试光学谐振腔S偏振光衰荡时间，τ0P为测试光学谐振腔P偏振光衰荡时间，A1S、A1P、C1为拟合参数）拟合出测试光学谐振腔S和P偏振光的衰荡时间τ1S和τ1P，根据公式（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对S和P偏振光的反射率RXS和RXP，L0为初始光学谐振腔长，L1为测试光学谐振腔长；
或在步骤（1）所述初始光学谐振腔与激光器之间加入消光比足够高的起偏器，起偏后光束呈S或P偏振态，此后固定起偏器位置，得到的衰荡信号用单指数拟合，所用的衰减函数为
（t为时间，τ0为初始光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数），得到初始谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ0S或τ0P；同样，在步骤（4）所述测试光学谐振腔情况下，由衰减函数
（t为时间，τ1为测试光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数）拟合出测试光学谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ1S或τ1P，根据公式
（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对S或P偏振光的反射率RXS或RXP；
或所述的连续激光由偏振特性足够好的激光光源产生，衰荡信号用单指数进行拟合，所用的衰减函数为
（t为时间，τ0为测试光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数），得到初始谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ0S或τ0P；同样，在步骤（4）所述测试光学谐振腔情况下，由衰减函数（t为时间，τ1为测试光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数）拟合出测试光学谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ1S或τ1P，根据公式
（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对S或P偏振光的反射率RXS或RXP。
其中，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。
其中，所述的用于搭建初始和测试衰荡腔的高反射腔镜对S或P偏振光的反射率大于99%。
其中，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，R为平凹腔镜的曲率半径。
其中，所述的步骤（2）和（4）中触发关断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，在激光器和第一块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。
其中，所述步（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。
其中，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：避免以往测量高反镜反射率未区分S和P偏振态所引起的误差，提出了一种基于光腔衰荡技术的同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，可以应用任意偏振特性的激光器同时测量待测高反镜S和P偏振光的反射率，可以不用起偏器，测量装置简单，测量精度高。
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测量装置示意图；
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测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图1和图3所述的测量系统描述本发明的一种S和P偏振高反镜反射率测量方法。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。图3中：12为待测高反镜。图中的粗线为光路，细线为连接线。
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波长处对S和P偏振光的反射率大于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，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双指数衰减函数
拟合，进而分别得到初始腔各高反镜对S和P偏振光的平均反射率。
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13，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12后构成的测试光学谐振腔，可测量不同角度入射的S和P偏振光反射率大于99%的待测高反镜反射率。在两平凹高反镜之间加入待测高反镜，激光束透过第一块平凹高反镜后入射到待测高反镜，入射角为待测高反镜使用角度，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；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。利用双指数拟合按公式
拟合出测试腔衰荡时间，再根据公式
计算得到待测高反镜对S（或P）偏振光的反射率。
也可以在初始光学谐振腔与激光器之间加入消光比足够高的起偏器，起偏后光束呈S（或P）偏振态，得到的衰荡信号用单指数拟合，所用的衰减函数为
得到初始谐振腔S（或P）偏振光的衰荡时间；在测试光学谐振腔情况下，由衰减函数
拟合出测试光学谐振腔S（或P）偏振光的衰荡时间，根据公式
计算得到待测高反镜对S（或P）偏振光的反射率。
也可以由偏振特性足够好的激光光源产生S（或P）偏振光，衰荡信号用单指数进行拟合，所用的衰减函数为
得到初始谐振腔S（或P）偏振光的衰荡时间；在测试光学谐振腔情况下，由衰减函数
拟合出测试光学谐振腔S（或P）偏振光的衰荡时间，根据公式
计算得到待测高反镜对S（或P）偏振光的反射率。
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14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；在初始光学谐振腔的第二块平凹高反射镜和平面高反镜14间按使用角度插入待测高反镜，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，如图5所示。
总之，本发明提出了一种同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，测量结果综合了光腔衰荡高反射率测量方法的同时，能够同时精确测量高反镜S和P偏振光的反射率。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术的公知技术。
Claims (8)
1.一种同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，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；
或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；
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，通过数据处理得到初始光学谐振腔内S和P偏振光的衰荡时间τ0S和τ0P，进而得到初始光学谐振腔各高反镜对S和P偏振光的平均反射率R0S和R0P；
步骤（3）、在初始光学谐振腔内根据待测高反镜的使用角度插入待测高反镜，构成测试光学谐振腔；
所述测试光学谐振腔构成具体为：在步骤（1）所述的初始光学谐振腔的两块平凹高反镜之间插入待测高反镜，待测高反镜的入射角为高反镜的使用角度；
步骤（4）、从测试光学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，通过数据处理得到S和P偏振光在测试光学谐振腔内的衰荡时间τ1S和τ1P，通过计算得待测高反镜对S和P偏振光的反射率RXS和RXP。
2.根据权利要求1所述的高反镜对S和P偏振光反射率的测量方法，其特征在于：所述的步骤（2）所述的数据处理为对衰荡信号进行双指数拟合，拟合所用的衰减函数为
t为时间，τ0S为初始谐振腔S偏振光衰荡时间，τ0P为初始谐振腔P偏振光衰荡时间，A0S、A0P、C0为拟合参数，分别得到初始谐振腔S和P偏振光的衰荡时间τ0S和τ0P；同样，在步骤（4）所述测试光学谐振腔情况下，由衰减函数
拟合出测试光学谐振腔S和P偏振光的衰荡时间τ1S和τ1P，式中：t为时间，τ1S为测试光学谐振腔S偏振光衰荡时间，τ0P为测试光学谐振腔P偏振光衰荡时间，A1S、A1P、C1为拟合参数，根据公式
计算得到待测高反镜对S和P偏振光的反射率RXS和RXP，L0为初始光学谐振腔长，L1为测试光学谐振腔长；
或在步骤（1）所述初始光学谐振腔与激光器之间加入消光比足够高的起偏器，起偏后光束呈S或P偏振态，此后固定起偏器位置，得到的衰荡信号用单指数拟合，所用的衰减函数为式中：t为时间，τ0为初始光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数，得到初始谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ0S或τ0P；同样，在步骤（4）所述测试光学谐振腔情况下，由衰减函数
拟合出测试光学谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ1S或τ1P，式中：t为时间，τ1为测试光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数，根据公式
计算得到待测高反镜对S或P偏振光的反射率RXS或RXP；L0为初始光学谐振腔长，L1为测试光学谐振腔长；
或所述的连续激光由偏振特性足够好的激光光源产生，衰荡信号用单指数进行拟合，所用的衰减函数为
t为时间，τ0为测试光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数，得到初始谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ0S或τ0P；同样，在步骤（4）所述测试光学谐振腔情况下，由衰减函数
t为时间，τ1为测试光学谐振腔衰荡时间，A、B为拟合参数，拟合出测试光学谐振腔S或P偏振光的衰荡时间τ1S或τ1P，根据公式
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对S或P偏振光的反射率RXS或RXP。
3.根据权利要求1所述的同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，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。
4.根据权利要求1所述的同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，其特征在于：所述的用于搭建初始和测试衰荡腔的高反射腔镜对S或P偏振光的反射率大于99%。
5.根据权利要求1所述的同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，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，R为平凹腔镜的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，其特征在于：所述的步骤（2）和（4）中触发关断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，在激光器和第一块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。
7.根据权利要求1所述的同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，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。
8.根据权利要求1所述的同时测量高反镜S和P偏振光反射率的方法，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。
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- 2013-09-11 CN CN201310413019.4A patent/CN103471815B/zh active Active
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