CN103616164B - 一种基于脉冲激光光源的反射率/透过率综合测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲激光光源的反射率/透过率综合测量方法，步骤为：一束脉冲激光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%的光学元件时采用脉冲光腔衰荡技术，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的反射率。移走光学谐振腔的输出腔镜，从待测光学元件反射的探测光被聚焦到光电探测器探测，记录探测光束和参考光束光强信号比值，通过定标获得待测光学元件反射率R。

Description

一种基于脉冲激光光源的反射率/透过率综合测量方法

技术领域

本发明涉及用于测量反射光学元件反射率和透射光学元件透过率的技术领域，特别涉及一种基于脉冲激光光源的测量任意反射率光学元件和大口径光学元件反射率和透过率的方法。

背景技术

分光光度法是测量光学元件透反射最常用的方法。从原理上讲，只要测出反射光能流E_r和入射光能留E₁,反射率即为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，反射率越高对测量精度影响越大，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。

而对应反射率大于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”、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”以及中国专利申请号201010608932.6的发明专利“一种反射率综合测量方法”均使用连续光腔衰荡技术测量高反射率，中国专利申请号201010295724.5的发明专利“一种光学元件的透射损耗测量方法”使用连续光腔衰荡技术测量光学增透元件的透射损耗。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1ppm。

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，可以基于脉冲激光光源的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基于脉冲激光光源的反射率综合测量装置十分必要。

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，提出了一种基于脉冲激光光源的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，与连续光源综合测量方法相比装置结构更加简单容易操作，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：将分光光度技术和脉冲光腔衰荡技术相结合实现光学元件反射率测量，其实现步骤如下：

步骤（1）、将一束脉冲激光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构成直型腔，腔长为L₀,探测光束从第一块平凹高反射镜注入谐振腔，由第二块平凹高反射镜即平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号由第二个光电探测器测量；将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合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得到的参考光束光强信号，I₁为第二个光电探测器探测得到的探测光束光强信号；

步骤（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，腔长为L₁，所述测试光学谐振腔的结构为在初始光学谐振腔中插入待测光学元件构成“V”型腔，入射激光束经过第一块平凹高反射镜，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，将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合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=(L₀/cτ₀-L₁/cτ₁)，c为光速；

步骤（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（其中τ₀为初始光学谐振腔的衰荡时间，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），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。

本发明也可用于待测光学元件的透过率的测量，其实现步骤如下：

步骤（4）、在按步骤（1）测量光腔衰荡信号并按单指数衰减函数拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ₀之后，在所述初始光学谐振腔中根据使用角度插入待测光学元件构成测试光学谐振腔，输出的光腔衰荡信号由第二个光电探测器测量；将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合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的透过率其中n_s为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度。

步骤（5）、若步骤（4）测得的待测光学元件透过率小于0.99或者无法获得光腔衰荡信号时，按权利要求1步骤（1）测得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之后，按使用角度插入透射光学元件，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。

其中，所述的脉冲激光为TEM₀₀模光束。

其中，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高反射镜反射率均大于99%。

其中，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。

其中，所述步骤（1）的将脉冲激光束分束成参考光束和探测光束通过下面方法实现：

在脉冲激光光源和输入平凹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；

此外，通过二维平移台移动待测光学元件的横向（或纵向）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。

其中，所述的步骤（2）中若待测光学元件部位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平移台上。

本发明与现有技术相比具有如下技术优点：本发明将分光光度技术和脉冲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%的光学元件采用脉冲光腔衰荡技术对其反射率进行测量，由于脉冲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比较大的误差，本发明的反射率测量装置只需要通过移走平凹高反输出腔镜就可以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。本发明那个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缺点，简化了基于连续激光光源反射率综合测量方法的装置，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；

图3为本发明的测量光学元件透过率装置示意图。

图1中：1为脉冲激光光源；2为平面反射镜；3和4为平凹高反射镜；5为待测光学元件；6和12为聚焦透镜；7和13为光电探测器；8为数据采集卡；9为计算机；10为二维位移平台；11为可变衰减片；14为可见辅助光源；15为反射镜；16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3所述的测量系统描述本发明的一种基于脉冲激光光源的反射率综合测量方法。

光源1选用脉冲激光器，激光器输出脉冲线宽大于谐振腔自由光谱范围；脉冲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11衰减后由聚焦透镜12聚焦到光电探测器13，调节可变衰减器11使参考光束光强和探测光束光强相当；光电探测器7和13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14、反射镜15和分光镜16用于辅助调节光路，若光源1为可见光，不需要使用可见辅助光源14、反射镜15和分光镜16用于辅助调节光路。

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。根据脉冲光腔衰荡技术，将脉冲激光注入由高反射镜构成的稳定光学谐振腔，同一个脉冲能量会由于腔透射损耗逐渐减小。由两块相同的平凹高反射镜3、4构成稳定初始光学谐振腔。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。入射脉冲激光束通过平凹高反射镜3注入到光学谐振腔并在谐振腔内震荡后由平凹高反射镜4透射，然后由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7。将记录的光腔衰荡信号按单指数衰减函数(A₀₁，A₀₂为常系数，t为时间)拟合出初始光学谐振腔的衰荡时间τ₀。移走平凹高反射经4，同时记录光电探测器7和光电探测器13在相同时刻所测光强信号比值P₁=I₁/I₀，I₀为光电探测器13探测得到的参考光束光强信号，I₁为光电探测器7探测得到的探测光束光强信号。

在初始光学谐振腔中插入待测光学元件5，入射角为待测光学元件5的使用角度，待测光学元件5至于二维位移平台10上。并相应的移动平凹高反镜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中实线所示。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，将记录的光腔衰荡信号按单指数衰减函数(A₁₁，A₁₂为常系数，t为时间)拟合出测试光学谐振腔的衰荡时间τ₁。待测光学元件5的反射率R=exp(L/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10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）光学元件或仅需要单点测量，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则移走第二块平凹高反射镜4，如图2所示。分光镜2将入射脉冲光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11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的反射光由汇聚透镜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13在相同时刻所测光强信号比值P₂=I₂/I₀,I₂为光电探测器7探测得到的探测光束光强信号，I₀为光电探测器13探测得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。

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透过率测量，测量结构如图3所示。在测量光腔衰荡信号并按单指数衰减函数拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ₀之后，在初始光学谐振腔中根据使用角度插入待测光学元件5构成测试光学谐振腔，输出的光腔衰荡信号由第二个光电探测器13测量将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合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的透过率其中n_s为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度。

若测得的待测光学元件透过率小于0.99或者无法获得光腔衰荡信号时，测得第二个13和第一个光电探测器7在相同时刻所测光强信号比值P₁之后，按使用角度插入透射光学元件5，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13在相同时刻所测得的强信号比值P₃=I₃/I₀，I₃为光电探测器7探测到的探测光书光强信号，I₀为光电探测器13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10上的待测光学元件的横向（或纵向）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透过率分布。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）光学元件或仅需要单点测量，则待测光学元件无需放置二维位移平台上。

总之，本发明提出了一种基于脉冲激光光源的反射率/透过率综合测量方法，可以测量从紫外到中远红外的各类反射镜任意反射率/透过率。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，简化了基于连续激光光源反射率综合测量方法的装置，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 (7)

1.一种基于脉冲激光光源的透过率综合测量方法，其特征在于：其实现透过率测量步骤如下：

步骤(1)、将一束脉冲激光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构成直型腔，腔长为L₀,探测光束从第一块平凹高反射镜注入谐振腔，由第二块平凹高反射镜即平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号由第二个光电探测器测量；将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ₀；

步骤(2)、在初始光学谐振腔中根据使用角度插入待测光学元件构成测试光学谐振腔，输出的光腔衰荡信号由第二个光电探测器测量；将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合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的透过率其中n_s为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度，c为光速；

步骤(3)、若步骤(2)测得的待测光学元件透过率小于0.99或者无法获得光腔衰荡信号，按步骤(1)测得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得到的参考光束光强信号，I₁为第二个光电探测器探测得到的探测光束光强信号，然后按使用角度插入待测光学元件，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/I’₀，I₃为插入待测光学元件后第二个光电探测器探测到的探测光束光强信号，I'₀为插入待测光学元件后第一个光电探测器探测得到的参考光束光强信号，计算得到待测光学元件的透过率T＝P₃/P₁。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的脉冲激光输出光束为TEM₀₀模光束。

3.根据权利要求1所述的综合测量方法，其特征在于：组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的两块所述平凹高反射镜的反射率均大于99％。

4.根据权利要求1所述的综合测量方法，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所述的综合测量方法，其特征在于：所述步骤(1)的将一束脉冲激光分束成参考光束和探测光束通过下面方法实现：

在脉冲激光光源和第一平凹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。

6.根据权利要求1所述的综合测量方法，其特征在于：通过二维平移平台移动待测光学元件的横向或纵向位置，实现大口径光学元件透过率的二维扫描测量，得到待测光学元件透过率的二维分布。

7.根据权利要求1所述的综合测量方法，其特征在于：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平移平台上。