CN103913299B - 基于光腔衰荡法的光学谐振腔模式及损耗测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，具体而言涉及一种基于光腔衰荡法测量光学谐振腔模式及损耗的装置，包括激光器、声光开关、一号球面反射镜、平面反射镜、二号球面反射镜、起偏器、谐振腔固定台、分光镜、高分辨率CCD望远准直系统、图像采集卡、高速探测器、高速数据采集卡、主控计算机、声光开关驱动器和手动压电陶瓷驱动器。该装置通过监控光学谐振腔内的指定本征模式及其在腔内的光强衰减特征时间，实现了对光学谐振腔本征模式及损耗的同时准确测量，其测量精度高，操作方便；该装置还可以很好的完成环形激光谐振腔的装调时损耗的监控，这对于提高激光陀螺性能和生产合格率有重要意义。

Description

基于光腔衰荡法的光学谐振腔模式及损耗测量装置和方法

技术领域：

本发明属于测量技术领域，具体而言本发明涉及一种基于光腔衰荡法测量光学谐振腔模式及损耗的装置和方法。

背景技术：

高品质光学谐振腔在高精度激光陀螺、引力波探测以及高能激光器等许多国防重要领域有着广泛的应用，高品质光学谐振腔的各个本征模式的损耗是其品质好坏的重要性能指标，精确测量高品质光学谐振腔的工作模式及损耗是高品质光学谐振腔研制的一项核心技术。

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通过测量谐振光功率谱线半高宽计算出谐振腔损耗的谐振法以及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，但只适用于较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只适用于中、高损耗的情况；通过测量谐振光功率谱线半高宽计算出谐振腔损耗的谐振法在中、高损耗的情况下，理论上可以达到较高的精度，但扫频激光器中压电陶瓷的非线性对该法的测量精度影响较大；基于测量光学谐振腔衰减时间常数的光腔衰荡法，具有损耗越低测量越精确且不受光学谐振腔入射激光光强稳定'性的影响，最适合于高品质光学谐振腔损耗的高精度测量。

西安电子科技大学的邵晓鹏等人在其2011年的发明中（专利号：201110093194.0），提出了一种基于谐振法的激光陀螺光学谐振腔损耗测量系统。该发明利用激光陀螺谐振腔损耗测量系统，提出了一种以谐振光功率谱线半高宽为依据的压电陶瓷非线性校正方法，保证校正精度，避免另外采用设备进行压电陶瓷非线性校正，降低了成本，提高了效率，简化了测量过程。但是该系统仍然只适用于中高损耗的谐振腔损耗测量。

邵晓鹏等人同时还有另外一项发明（专利号：201110093195.5），提出了一种基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量系统。该发明采用单模扫频激光器，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，在待测谐振腔中激发多个本征模式，并采用声光开关，实现逐次快速切断谐振腔谐振输出的多个模式的激光，产生多个模式的光腔衰荡信号，进一步保证了对多个激光模式的损耗同时进行测量。然而，实验表明激光器输出光具有空间及强度不稳定性。每一个扫频周期内激光器在待测谐振腔中激发的本征模式及模式质量很大程度上取决于入射光与谐振腔模式的匹配。虽然该系统在一个扫频周期内激发产生多个模式的光腔衰荡信号，却并不知道激发了哪些模式，更不能保证激发所有我们想要测量的模式。系统只能得到激发模式的损耗大小，对于没有激发的模式则无法测量。更重要的是，该系统只测量激发模式的衰荡信号而没有采集谐振模式图像，对于损耗相近的模式（如TEM01和TEM10）也根本无法分辨。光学谐振腔有基模和众多的高阶模，准确测量这些模式及其损耗对于评估光学谐振腔的性能是非常重要的。为此，需要研制能准确分辨光学谐振腔本征模式（如TEM00、TEM01、TEM10、TEM11等）且能对这些本征模式的腔损耗进行精确测量的系统。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述己有技术的不足，提出了一种基于光腔衰荡法的光学谐振腔模式及损耗测量装置和方法，以实现对光学谐振腔特定本征模式及其腔损耗的精确测量。

为实现上述目的，本发明所述的基于光腔衰荡法的光学谐振腔模式及损耗测量装置包括:激光器1、声光开关2、一号球面反射镜3、平面反射镜4、二号球面反射镜5、起偏器6、谐振腔固定台7、分光镜8、高分辨率CCD望远准直系统9、图像采集卡10、高速探测器11、高速数据采集卡12、主控计算机13、声光开关驱动器14和手动压电陶瓷驱动器15。

所述激光器输出的激光束依次经过声光开关、一号球面反射镜、平面反射镜、二号球面反射镜、起偏器，入射到谐振腔固定台上的待测谐振腔中并在待测谐振腔中激发出某一本征模式的谐振光，该谐振光从待测谐振腔中出射后，经分光镜一分为二，其中一路光入射到高分辨率CCD望远准直系统经过光电转换产生图像信号，另一路光入射到高速探测器经过光电转换产生电压信号。图像信号由图像采集卡进行模数转换后传输到主控计算机上显示。此时主控计算机输出控制模块会自动识别该图像，如果该图像不是事先选定的待测模式则继续调节入射光角度和手动压电陶瓷驱动器。如果该图像是事先选定的待测模式则由主控计算机输出一个触发信号触发声光开关驱动器，由声光开关驱动器关断声光开关，快速切断声光调制器的一级衍射光，使待测谐振腔中特定模式的谐振光产生光腔衰荡信号。光腔衰荡信号入射到高速探测器经过光电转换产生腔衰荡电压信号，由高速数据采集卡进行模数转换后传输到主控计算机数据采集处理模块。

所述激光器采用单模扫频激光器，该激光器通过手动压电陶瓷驱动器控制腔长以实现激光器输出激光频率可控。

所述主控计算机设有图像显示模块、输出控制模块和数据采集处理模块。图像显示模块用来采集并显示图像采集卡采集到的谐振光斑图像，用来直接判读谐振模式；输出控制模块用来输出触发信号触发声光开关驱动器以控制声光开关关断入射光；数据采集处理模块用来采集高速数据采集卡的数据进行拟合处理，最后得到待测谐振腔在该特定谐振模式下的损耗。

本发明还提供了一种利用上述装置对光学谐振腔模式及损耗进行测量的方法，该方法包括如下步骤:

步骤1：搭建光学谐振腔模式及损耗测量装置的光路平台。激光器输出光束经过声光开关后产生一级衍射光，使一级衍射光束经过一号球面镜、平面反射镜、二号球面镜以及起偏器模式匹配注入到待测光学谐振腔；

步骤2：调节CCD望远准直系统焦距并使其聚焦在谐振腔光阑处。从谐振腔光阑处输出的谐振光经图像采集卡进行模数转换后输入主控计算机，通过主控计算机屏幕实时监控谐振腔内的谐振本征模式；

步骤3：通过手动调整压电陶瓷驱动器电压对激光器腔长进行扫描。当一级衍射光束的光波频率与待测光学谐振腔某个本征模式的频率一致时，主控计算机屏幕则会显示出该本征模式，调整压电陶瓷驱动器电压以及一号球面反射镜和二号球面反射镜的偏转角度直到在待测谐振腔中产生待测本征模式的谐振光；

步骤4：该谐振光从待测谐振腔中出射后，经分光镜一分为二，其中一路光入射到高分辨率CCD望远准直系统经过光电转换产生图像信号，另一路光入射到高速探测器经过光电转换产生电压信号；

步骤5：图像信号由图像采集卡进行模数转换后传输到主控计算机上显示，此时主控计算机输出控制模块会识别该图像，如果该图像不是事先选定的待测本征模式则重复步骤3。如果该图像是事先选定的待测本征模式则由主控计算机输出触发信号控制声光开关驱动器，由声光开关驱动器关断声光开关，快速切断声光调制器的一级衍射光，使待测谐振腔中特定本征模式的谐振光产生光腔衰荡信号。光腔衰荡信号入射到高速探测器经过光电转换产生腔衰荡电压信号；

步骤6：腔衰荡电压信号由高速数据采集卡进行模数转换传输到主控计算机的数据采集处理模块进行拟合处理就能得到衰减系数τ，再进一步计算得到待测环形激光谐振腔在指定本征模式下的损耗，衰减过程结束后，声光开关重新打开，并可进行下一次探测。

本发明具有以下优点:

1.通过手动调整压电陶瓷驱动器电压以及一号球面反射镜和二号球面反射镜的偏转角度可以在待测谐振腔中产生任意指定的谐振腔本征模式，并且产生的谐振腔本征模式可以输入主控计算机进行实时监控，特定谐振腔本征模式的实时监控和可控激发是本专利区别于现有技术的显著特点，正是通过本发明提供的技术方案用以实现指定谐振腔本征模式的产生和对本征模式损耗进行精确测量。

2.本发明通过监控谐振腔内的本征模式并测量光学谐振腔内指定谐振本征模式的光强衰减特征时间，实现了对高品质光学谐振腔各种本征模式损耗的准确测量，其测量精度高，操作方便。借助本发明可以很好的完成环形激光谐振腔装调时对其损耗的监控，这对于提高激光陀螺性能和陀螺生产合格率有重要意义。

附图说明

图1是本发明光学谐振腔本征模式及损耗测量装置结构框图；

1.激光器、2.声光开关、3.一号球面反射镜，4.平面反射镜、5.二号球面反射镜、6.起偏器、7.谐振腔固定台、8.分光镜、9.高分辨率CCD望远准直系统、10.图像采集卡、11.高速探测器、12.高速数据采集卡、13.主控计算机、14.声光开关驱动器、15.手动压电陶瓷驱动器。

图2是本发明测量光学谐振腔本征模式及损耗测量方法的总体流程图；

图3是待测谐振腔输出特定本征模式的光腔衰荡指数衰减曲线及拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明:

图1是本发明光学谐振腔本征模式损耗的测量装置的结构框图。本发明所述测量装置包括：激光器1、声光开关2、一号球面反射镜3，平面反射镜4、二号球面反射镜5、起偏器6、谐振腔固定台7、分光镜8、高分辨率CCD望远准直系统9、图像采集卡10、高速探测器11、高速数据采集卡12、主控计算机13、声光开关驱动器14和手动压电陶瓷驱动器15。其中，手动压电陶瓷驱动器15连接至激光器1上，用于控制激光器腔长，调节激光器输出激光的频率；激光器1出射光经声光开关2产生一级衍射光，依次经过一号球面反射镜3，平面反射镜4、二号球面反射镜5、起偏器6模式匹配到谐振腔固定台7上的待测光学谐振腔中（如：环形激光陀螺谐振腔）。分光镜8将待测谐振腔输出的谐振光分成两束，一束入射到高分辨率CCD望远准直系统9中经图像采集卡10采集输入到主控计算机13并在屏幕上实时显示，用来实时监控待测谐振腔内的谐振光本征模式，手动调整压电陶瓷驱动器电压以及一号球面反射镜和二号球面反射镜的偏转角度直到在待测谐振腔中产生需要测量的本征模式；此时主控计算机中的输出控制模块通过模式识别程序识别屏幕上显示的图像为指定的本征模式后会输出触发信号传给声光开关驱动器，驱动器使声光开关瞬时切断一级衍射光束，使之在待测光学谐振腔内开始衰减，衰减信号经由分光镜分光后入射到高速探测器11产生电压信号，由高速数据采集卡进行模数转换和数字采集后传输到主控计算机。

本实施方式中，所述激光器1为线偏振He-Ne单模扫频激光器，波长632.8nm，工作在基横模状态。激光器1的其中一个腔镜上安装有压电陶瓷，腔镜可在压电陶瓷的驱动下沿腔镜法线运动来改变激光器腔长和输出光的频率。所述手动压电陶瓷驱动器15可以对腔镜上的压电陶瓷施加人为控制的电压，使激光器的输出光频率维持在指定的谐振腔谐振模式频率上。

所述声光开关2由声光晶体和驱动电路组成。激光器1的输出光以布拉格角入射到声光晶体后产生零级光束和一级衍射光束。驱动电路可以控制声光晶体内声光效应的有无，进而控制一级衍射光束的有无，从而起到声光开关的作用。

一级衍射光束经过模式匹配系统（一号球面反射镜3，平面反射镜4、二号球面反射镜5、起偏器6）模式匹配后入射到谐振腔固定台7上的光学谐振腔中。所述模式匹配系统可以调节由其出射光束的倾角、位置和偏振面方向，从而与环形激光谐振腔10光波本征模式的传播方向、空间位置和偏振态实现较好的匹配。所述模式匹配系统由球面反射镜3，平面反射镜4、球面反射镜5、起偏器6组成。其中，所述球面反射镜3，平面反射镜4、球面反射镜5与激光器1的相对位置是根据模式匹配的要求计算得出的。通过一号球面反射镜3和二号球面反射镜5的配合，可以调节出射光束的倾角，还可以在保持出射光束角度不变的情况下实现出射光束空间位置的调节，使得光束沿谐振腔光轴入射，并且使得光束的腰斑半径与待测谐振腔本征模式一致。

所述起偏器6用于调整光束的偏振面，通过旋转起偏器可以连续调节出射光束偏振面的方向，使其与环形激光谐振腔光波本征模式的偏振面方向一致。

所述谐振腔固定台7用来固定待测光学谐振腔，如：待装调的环形激光陀螺谐振腔体，并可以调节该谐振腔反射镜与腔体的相对位置，以实现对谐振腔损耗最小化的调整。

所述分光镜8采用半反半透镜。

所述高分辨率CCD望远准直系统9采用的是WATEC-902B，像素为768*576，低光强阈值响应，象元尺寸为4.65um*4.65um的CCD相机以及可调焦距的望远镜镜头。

所述的高速探测器11和高速数据采集卡12将谐振光衰荡信号采集到主控计算机13，通过计算机数据采集处理模块对光强衰减数据进行拟合处理后得到衰减系数，进而得到谐振腔损耗。

图3本发明中光强衰减数据拟合处理示意图，光强衰减过程呈现指数函数形式：

I(t)＝a+bexp[-t/τ] (1)

其中，τ为光强衰减特征时间，a为高速探测器的基底噪声和背景光噪声的幅值，b为声光调制器关断时的指定谐振腔谐振模式充分谐振时的光强幅值。对谐振光衰荡信号进行拟合可以得到τ，a，b的值。

光强衰减特征时间τ与谐振腔损耗δ之间有如下关系式:

$\mathrm{\δ}=\frac{L}{\mathrm{\τc}}---\left(2\right)$

其中L为待测谐振腔腔长，c为光速。利用(2)式就可以计算得到光学谐振腔的损耗。

从(2)式可以看出，光学谐振腔损耗与光强衰减特征时间τ成反比，因此腔损耗越小，腔内光波的衰减过程持续时间越长，能够获得的光强衰减数据量越大，拟合误差越小，损耗测量精度越高。本发明提供的环形谐振腔低损耗测量方法，损耗测量精度可达1ppm。

综上所述，本发明所述光学谐振腔模式及损耗测量装置及方法通过监控光学谐振腔内的指定本征模式及其在腔内的光强衰减特征时间，实现了对光学谐振腔本征模式及损耗的同时准确测量，其测量精度高，操作方便。另外本系统可以很好的完成环形激光谐振腔的装调时损耗的监控，这对于提高激光陀螺性能和生产合格率有重要意义。

Claims (6)

1.基于光腔衰荡法的光学谐振腔模式及损耗测量装置，其特征在于包括:激光器(1)、声光开关(2)、一号球面反射镜(3)、平面反射镜(4)、二号球面反射镜(5)、起偏器(6)、谐振腔固定台(7)、分光镜(8)、高分辨率CCD望远准直系统(9)、图像采集卡(10)、高速探测器(11)、高速数据采集卡(12)、主控计算机(13)、声光开关驱动器(14)和手动压电陶瓷驱动器(15)；

所述激光器(1)输出的激光束依次经过声光开关(2)、一号球面反射镜(3)、平面反射镜(4)、二号球面反射镜(5)、起偏器(6)，入射到谐振腔固定台(7)上的待测谐振腔中并在待测谐振腔中激发出某一本征模式的谐振光，该谐振光从待测谐振腔中出射后，经分光镜(8)一分为二，其中一路光入射到高分辨率CCD望远准直系统(9)经过光电转换产生图像信号，另一路光入射到高速探测器(11)经过光电转换产生电压信号；所述图像信号由图像采集卡(10)进行模数转换后传输到主控计算机(13)上显示，主控计算机(13)输出控制模块会自动识别所述图像信号，如果该图像不是事先选定的待测模式则继续调节入射光角度和手动压电陶瓷驱动器，如果该图像是事先选定的待测模式则由主控计算机输出一个触发信号触发声光开关驱动器(14)，由声光开关驱动器(14)关断声光开关(2)，快速切断声光调制器的一级衍射光，使待测谐振腔中特定模式的谐振光产生光腔衰荡信号，所述光腔衰荡信号入射到高速探测器(11)经过光电转换产生腔衰荡电压信号，由高速数据采集卡(12)进行模数转换和数字采集后传输到主控计算机(13)的数据采集处理模块；

所述激光器(1)采用单模扫频激光器，该激光器通过手动压电陶瓷驱动器(15)控制腔长；

所述主控计算机(13)设有图像显示模块、输出控制模块和数据采集处理模块，所述图像显示模块用来采集并显示图像采集卡采集到的谐振光斑图像，用来直接判读谐振模式；所述输出控制模块用来输出触发信号触发声光开关驱动器以控制声光开关关断入射光；所述数据采集处理模块用来采集高速数据采集卡的数据进行拟合处理，最后得到待测谐振腔在该特定谐振模式下的损耗。

2.一种如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述激光器(1)为线偏振He-Ne激光器，波长632.8nm，工作在基横模状态。

3.一种如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述分光镜(8)采用半反半透镜。

4.一种如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述高分辨率CCD望远准直系统(9)采用的是WATEC-902B，像素为768*576，低光强阈值响应，象元尺寸为4.65um*4.65um的CCD相机以及可调焦距的望远镜镜头。

5.一种基于光腔衰荡法的光学谐振腔模式及损耗测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：搭建光学谐振腔模式及损耗测量装置的光路平台，激光器输出光束经过声光开关后产生一级衍射光，使一级衍射光束经过一号球面反射镜、平面反射镜、二号球面反射镜以及起偏器模式匹配注入到待测光学谐振腔；

步骤2：调节CCD望远准直系统焦距并使其聚焦在谐振腔光阑处，从谐振腔光阑处输出的谐振光经图像采集卡进行模数转换后输入主控计算机，通过主控计算机屏幕实时监控谐振腔内的谐振本征模式；

步骤3：通过手动调整压电陶瓷驱动器电压对激光器腔长进行扫描，当一级衍射光束的光波频率与待测光学谐振腔某个本征模式的频率一致时，主控计算机屏幕则会显示出该本征模式，调整压电陶瓷驱动器电压以及一号球面反射镜和二号球面反射镜的偏转角度直到在待测谐振腔中产生待测本征模式的谐振光；

步骤4：该谐振光从待测谐振腔中出射后，经分光镜一分为二，其中一路光入射到高分辨率CCD望远准直系统经过光电转换产生图像信号，另一路光入射到高速探测器经过光电转换产生电压信号；

步骤5：图像信号由图像采集卡进行模数转换后传输到主控计算机上显示，此时主控计算机输出控制模块会识别该图像，如果该图像不是事先选定的待测本征模式则重复步骤3，如果该图像是事先选定的待测本征模式则由主控计算机输出触发信号控制声光开关驱动器，由声光开关驱动器关断声光开关，快速切断激光器的输出，使待测谐振腔中特定本征模式的谐振光产生光腔衰荡信号，光腔衰荡信号入射到高速探测器经过光电转换产生腔衰荡电压信号；

步骤6：腔衰荡电压信号由高速数据采集卡进行模数转换传输到主控计算机的数据采集处理模块进行拟合处理就能得到光强衰减特征时间τ，再进一步计算得到待测环形激光谐振腔在指定本征模式下的损耗，衰减过程结束后，声光开关重新打开，并可进行下一次探测。

6.一种如权利要求5所述基于光腔衰荡法的光学谐振腔模式及损耗测量方法，其特征在于：所述步骤6中的拟合处理方法中，采用下述公式作为拟合函数：

I(t)＝a+bexp[-t/τ]

其中，a为高速探测器的基底噪声和背景光噪声的幅值，b为声光调制器关断时的指定谐振腔谐振模式充分谐振时的光强幅值。