CN104458216B - 一种用于检测光学元件弱吸收的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测光学元件弱吸收的装置及方法，装置包括泵浦激光器、非线性晶体、二向色镜、反射结构、第一聚焦镜、第二聚焦镜、滤光元件、针孔及光电探测器。非线性晶体设置在泵浦激光器的激光发射端，二向色镜与非线性晶体具有夹角。所述反射结构用于将所述二向色镜发射出的所述倍频激光反射到光学元件表面。所述第二聚焦镜用于将所述反射结构发射出的倍频激光聚焦到所述光学元件表面。所述滤光元件、针孔依次设置在所述光学元件与所述光电探测器之间。本发明能克服传统方式中由于泵浦激光与探测激光相位不同导致直流分量对测试结果的影响的缺陷，尤其适合短脉冲泵浦激光的测量，其大大提高了光学元件弱吸收测试的灵敏度和精度。

Description

一种用于检测光学元件弱吸收的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学元件吸收率的测量技术领域，特别是涉及一种用于检测光学元件弱吸收的装置及方法。

背景技术

高能激光器的发展要求有非常高质量的光学薄膜，而光学薄膜对光的弱吸收是限制高能激光器发展的主要因素之一，且影响光学薄膜的光学质量，更会造成激光在薄膜内的热沉积。特别是在高功率激光作用下，即使光学薄膜十分微弱的吸收，其也足以导致薄膜元件的灾难性破坏。研究发现，导致破坏的吸收一部分来自于薄膜的本征吸收，更大程度来源于光学薄膜中的杂质、缺陷引起的局部额外强吸收。因而，有必要对光学薄膜的平均吸收及局部吸收进行精确、快速、实时地检测，以为光学薄膜吸收损耗的降低、损伤阈值的提高以及高质量的制备提供重要的理论依据。

光学薄膜吸收率的测量技术主要有：光热辐射技术、激光量热技术、表面热透镜技术、光声光谱技术和光热偏转技术。其中，光热偏转技术是近年来发展起来的新型热波探测技术，并已广泛用于研究光学薄膜的吸收特性。光热偏转技术具有灵敏度高，实验装置相对简单，易于实现，可对高腐蚀性样品进行非接触检测，以及能区分体吸收和面吸收等许多优点，其已成为测量光学薄膜弱吸收及激光损伤机理研究的重要手段之一。然而，由于光热偏转技术的探测光束尺寸小于泵浦光束，其测量结果很大程度上依赖于探测光斑相对于泵浦光斑的位置，因此，这种方法尽管有较高的灵敏度，调节却比较困难，而且系统稳定性也相对较差，已经越来越不能满足测试手段实用化的要求。为此，在原有的光热探测技术基础上，人们又提出了一种新型的热波探测技术——表面热透镜技术，采用光斑尺寸大于泵浦光束的高斯型探测光进行测量，从而有效地提高了系统稳定性，降低了调整难度。由于表面热透镜技术保持了与光热偏转技术相同的检测灵敏度，因此，在实际科研工作中，日益受到青睐。

然而，目前使用最多的表面热透镜技术测试光学薄膜弱吸收的光学结构，包括：泵浦激光(Pump laser)，其作用是使薄膜加热发生热变形；功率调节器(Attenuater)，其作用是调节泵浦激光功率的大小；斩波器(Chopper)，其作用是调制泵浦激光的强度；第一聚焦镜，用于将激光汇聚到样品上；位移台(Stage)，主要是用来移动样品；第二聚焦镜，用于将探测激光(Probe laser)汇聚到泵浦激光作用到样品的位置；滤光片，作用是过滤杂散光，减小他们对实验结果的影响；光纤(fiber)，用于将带有薄膜形变信息的光信号传导到光探测器(Photo detector)上。由于表面热透镜检测技术中探测光强的变化量通常十分微小，经光电换能器所转换成的电信号更加微弱，有时几乎完全被淹没在噪声中。为把探测光信号从噪声中提取出来，必须采用相应的弱信号检测仪器。光热检测中，常用的模拟弱信号检测仪器为锁相分析仪和Boxcar积分器，其增大了系统结构的复杂性。并且，其虽然采用了连续输出的探测光，但是并不能消除探测光中的直流分量，系统表面热透镜的灵敏度较低，测量结果也较低。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、测试精度高的用于检测光学元件弱吸收的装置及方法。

其技术方案如下：一种用于检测光学元件弱吸收的装置，包括泵浦激光器、非线性晶体、二向色镜、反射结构、第一聚焦镜、第二聚焦镜、滤光元件、针孔及光电探测器；所述非线性晶体设置在所述泵浦激光器的激光发射端，用于将部分泵浦激光转成倍频激光；所述二向色镜与所述非线性晶体具有夹角，用于将所述倍频激光与泵浦激光分开；所述第一聚焦镜，设置在所述二向色镜与光学元件之间，用于将所述泵浦激光聚焦到光学元件的表面，且聚焦后的光斑尺寸小于200μm；所述反射结构，用于将所述二向色镜发射出的所述倍频激光反射到光学元件表面，且与所述泵浦激光射在所述光学元件的位置相应，并由光学元件将倍频激光反射到光电探测器；所述第二聚焦镜，设置在所述反射结构与所述光学元件之间，用于将所述反射结构发射出的倍频激光聚焦到所述光学元件表面；所述滤光元件、针孔依次设置在所述光学元件与所述光电探测器之间。

本发明还提供一种用于检测光学元件弱吸收的装置，包括泵浦激光器、非线性晶体、布氏窗、λ/4波片、第一聚焦镜、第二聚焦镜、针孔及光电探测器；所述非线性晶体设置在所述泵浦激光器的激光发射端，用于将部分泵浦激光生成倍频激光；所述布氏窗与所述非线性晶体具有夹角，用于使得p光透射、s光反射；所述λ/4波片、第一聚焦镜沿着所述p光透射方向依次设置在所述布氏窗与光学元件之间；所述第二聚焦镜、针孔以及光电探测器依次设置在被所述布氏窗反射的S光方向上。

本发明还提供一种用于检测光学元件弱吸收的方法，包括如下步骤：

用非线性晶体将泵浦激光中的部分转成倍频激光；

用二向色镜将泵浦激光中的部分所述倍频激光与泵浦激光分离，将分离出的泵浦激光用第一聚焦镜耦合到光学元件的表面，将分离出的倍频激光用反射结构反射、再用第二聚焦镜耦合到光学元件的表面，其中，泵浦激光入射到光学元件表面位置与倍频激光入射到光学元件表面位置相适应；

用光电探测器接收经过光学元件反射出的倍频激光；

分析所述光电探测器转化成的光电信号，得出光学元件弱吸收效率。

本发明还提供一种用于检测光学元件弱吸收的方法，包括如下步骤：

用非线性晶体将泵浦激光中的部分转成倍频激光；

用布氏窗将泵浦激光、倍频激光中的P光与S光分离，并用λ/4波片将P光的偏振态改变为圆偏振光，再将圆偏振光通过第一聚焦镜耦合到光学元件表面；

经在所述光学元件表面光热效应后的一部分激光束按原路反射，用第二聚焦镜将反射回的激光束耦合到光电探测器；

根据光电探测器接收到的激光束信号得出光学元件的弱吸收效率。

下面对技术方案进一步说明：

在其中一个实施例中，所述二向色镜朝向所述非线性晶体的表面镀有对1064nm激光高透、对532nm激光高反的薄膜，其对1064nm激光的透过率T＞99％，对532nm激光的反射率R＞99％；所述二向色镜背向所述非线性晶体的表面镀有对1064nm激光高透的薄膜，其透过率T＞99％。

在其中一个实施例中，所述反射结构包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与所述二向色镜相互平行，所述第二反射镜与所述第一反射镜相互垂直，且所述第二反射镜能够沿着泵浦激光的发射方向移动。

在其中一个实施例中，所述第二聚焦镜与所述布氏窗之间设置有滤光元件。

在其中一个实施例中，所述非线性晶体的由KTP晶体制成，且所述非线性晶体的两端面均镀有对1064nm激光、532nm激光的高透薄膜。

在其中一个实施例中，光电探测器接收到光学元件反射出的倍频激光前包括如下步骤：滤掉除了倍频激光以外的激光；提取倍频激光中部位置的光强。

在其中一个实施例中，在布氏窗反射出的激光束与光电探测器接收到激光束之间还包括如下步骤：滤掉除了倍频激光外的杂散激光；提取倍频激光中部位置的光强。

下面对前述技术方案的原理、效果等进行说明：

本发明所述的用于检测光学元件弱吸收的装置及方法，涉及到的探测激光是由泵浦激光通过倍频产生的，因此倍频激光和泵浦激光的位相相同。而现有表面热透镜技术中，由于探测激光与泵浦激光的相位不同，且采用连续工作的探测激光来测试薄膜微小的形变，会导致光电探测器中出现直流分量，使得有用的交流信号淹没在其中，测试精度降低，且灵敏度低下。可见，本发明能克服传统方式中由于泵浦激光与探测激光相位不同导致直流分量影响测试结果灵敏度与精度的缺陷，尤其适合短脉冲泵浦激光的测量，其大大提高了光学元件弱吸收测试的灵敏度和精度。

附图说明

图1为本发明实施例所述用于检测光学元件弱吸收结构示意图一；

图2为本发明实施例所述用于检测光学元件弱吸收结构示意图二。

附图标记说明：

10、泵浦激光器，11、二向色镜，12、第一聚焦镜，13、第二聚焦镜，14、λ/4波片，15、布氏窗，20、光电探测器，21、针孔，22、滤光元件，30、非线性晶体，40、光学薄膜，41、第一反射镜，42、第二反射镜。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的用于检测光学元件弱吸收的装置，包括泵浦激光器10、非线性晶体30、二向色镜11、反射结构、第一聚焦镜12、第二聚焦镜13、滤光元件22、针孔21及光电探测器20，本发明实施例中的泵浦激光器10为工作物质为Nd：YAG的调Q固体激光器。所述非线性晶体30设置在所述泵浦激光器10的激光发射端，用于将部分泵浦激光转成倍频激光。所述二向色镜11与所述非线性晶体30具有夹角，用于将所述倍频激光与泵浦激光分开，在本发明实施例中，二向色镜11与非线性晶体30间的夹角为45°。所述第一聚焦镜12，设置在所述二向色镜11与光学元件之间，用于将所述泵浦激光聚焦到光学元件的表面，且聚焦后的光斑尺寸小于200μm，本发明实施例中的光学元件为光学薄膜40。所述反射结构，用于将所述二向色镜11发射出的所述倍频激光反射到光学元件表面，且与所述泵浦激光射在所述光学元件的位置相应，并由光学元件将倍频激光反射到光电探测器20。所述第二聚焦镜13，设置在所述反射结构与所述光学元件之间，用于将所述反射结构发射出的倍频激光聚焦到所述光学元件表面。所述滤光元件22、针孔21依次设置在所述光学元件与所述光电探测器20之间。

本发明所述的用于检测光学元件弱吸收的装置及方法，涉及到的探测激光是由泵浦激光通过倍频产生的，因此倍频激光和泵浦激光的位相相同。而现有表面热透镜技术中，由于探测激光与泵浦激光的相位不同，且采用连续工作的探测激光来测试薄膜微小的形变，会导致光电探测器20中出现直流分量，使得有用的交流信号淹没在其中，测试精度降低，且灵敏度低下。可见，本发明能克服传统方式中由于泵浦激光与探测激光相位不同导致直流分量影响测试结果灵敏度与精度的缺陷，尤其适合短脉冲泵浦激光的测量，其大大提高了光学元件弱吸收测试的灵敏度和精度。

其中，所述二向色镜11朝向所述非线性晶体30的表面镀有对1064nm激光高透、对532nm激光高反的薄膜，其对1064nm激光的透过率T＞99％，对532nm激光的反射率R＞99％。所述二向色镜11背向所述非线性晶体30的表面镀有对1064nm激光高透的薄膜，其透过率T＞99％。所述反射结构包括所述第一反射镜41和第二反射镜42，所述第一反射镜41与所述二向色镜11相互平行，所述第二反射镜42与所述第一反射镜41相互垂直，且所述第二反射镜42能够沿着泵浦激光的发射方向移动。

本发明还提供一种用于检测光学元件弱吸收的方法，包括如下步骤：

用非线性晶体30将泵浦激光中的部分转成倍频激光；

用二向色镜11将泵浦激光中的部分所述倍频激光与泵浦激光分离，将分离出的泵浦激光用第一聚焦镜12耦合到光学元件的表面，将分离出的倍频激光用反射结构反射、再用第二聚焦镜13耦合到光学元件的表面，其中，泵浦激光入射到光学元件表面位置与倍频激光入射到光学元件表面位置相适应；

用光电探测器20接收经过光学元件反射出的倍频激光；

分析所述光电探测器20转化成的光电信号，得出光学元件弱吸收效率。

其中，光电探测器20接收到光学元件反射出的倍频激光前包括如下步骤：用滤光元件22，本发明采用的为滤光片，滤掉除了倍频激光以外的激光；用针孔21提取倍频激光中部位置的光强。如此，光电探测器20即可获取测试精度较高的光电信号，且由于泵浦激光与倍频激光同相位，消除了直流分量造成的影响，提高了光学元件弱吸收的测试灵敏度。

请参阅图2，本发明还提供一种用于检测光学元件弱吸收的装置，包括泵浦激光器10、非线性晶体30、布氏窗15、λ/4波片14、第一聚焦镜12、第二聚焦镜13、针孔21及光电探测器20。所述非线性晶体30设置在所述泵浦激光器10的激光发射端，用于将部分泵浦激光生成倍频激光。所述布氏窗15与所述非线性晶体30具有夹角，在本发明实施例，布氏窗15与非线性晶体30间的夹角为45°，用于使得p光透射、s光反射。所述λ/4波片14、第一聚焦镜12沿着所述p光透射方向依次设置在所述布氏窗15与光学元件之间。所述第二聚焦镜13、针孔21以及光电探测器20依次设置在被所述布氏窗15反射的S光方向上。

如此，泵浦激光中的部分转成倍频激光，并用布氏窗15将泵浦激光、倍频激光中的P光与S光分离。P光经λ/4波片14，偏振态改变为圆偏振光，并通过第一聚焦镜12耦合到光学元件表面。经在所述光学元件表面光热效应后的一部分激光束按原路反射，即圆偏振光被光学元件表面反射到λ/4波片14，其改变为S偏振光，S偏振光再经布氏窗反射回去，之后用第二聚焦镜13将反射回的激光束耦合到光电探测器20。可见，倍频激光由部分泵浦激光用非线性晶体转化而成，所得倍频激光与泵浦激光相位相同，其避免了产生直流分量，且结构简单，能够大大提高光学元件弱吸收测试灵敏度与精度。

其中，所述第二聚焦镜13与所述布氏窗15之间设置有滤光元件22。所述非线性晶体30的由KTP晶体制成，且所述非线性晶体30的两端面均镀有对1064nm激光、532nm激光的高透薄膜。

本发明还提供一种用于检测光学元件弱吸收的方法，包括如下步骤：

用非线性晶体30将泵浦激光中的部分转成倍频激光；

用布氏窗15将泵浦激光、倍频激光中的P光与S光分离，并用λ/4波片14将P光的偏振态改变为圆偏振光，再将圆偏振光通过第一聚焦镜12耦合到光学元件表面；

经在所述光学元件表面光热效应后的一部分激光束按原路反射，用第二聚焦镜13将反射回的激光束耦合到光电探测器20；

根据光电探测器20接收到的激光束信号得出光学元件的弱吸收效率。

其中，在布氏窗15反射出的激光束与光电探测器20接收到激光束之间还包括如下步骤：用滤光元件22，本发明采用的为滤光片，滤掉除了倍频激光外的杂散激光；用针孔21提取倍频激光中部位置的光强。

综上，本发明具有如下优点：

本发明所述的用于检测光学元件弱吸收的装置及方法，涉及到的探测激光是由泵浦激光通过倍频产生的，因此倍频激光和泵浦激光的位相相同。而现有表面热透镜技术中，由于探测激光与泵浦激光的相位不同，且采用连续工作的探测激光来测试薄膜微小的形变，会导致光电探测器20中出现直流分量，使得有用的交流信号淹没在其中，测试精度降低，且灵敏度低下。可见，本发明能克服传统方式中由于泵浦激光与探测激光相位不同导致直流分量影响测试结果灵敏度与测试精度的缺陷，尤其适合短脉冲泵浦激光的测量，其大大提高了光学元件弱吸收测试的灵敏度和精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于检测光学元件弱吸收的装置，其特征在于，包括泵浦激光器、非线性晶体、二向色镜、反射结构、第一聚焦镜、第二聚焦镜、滤光元件、针孔及光电探测器；

所述非线性晶体设置在所述泵浦激光器的激光发射端，用于将部分泵浦激光转成倍频激光；

所述二向色镜与所述非线性晶体具有夹角，用于将所述倍频激光与泵浦激光分开；

所述第一聚焦镜，设置在所述二向色镜与光学元件之间，用于将所述泵浦激光聚焦到光学元件的表面，且聚焦后的光斑尺寸小于200μm；

所述反射结构，用于将所述二向色镜发射出的所述倍频激光反射到光学元件表面，且与所述泵浦激光射在所述光学元件的位置相应，并由光学元件将倍频激光反射到光电探测器；

所述第二聚焦镜，设置在所述反射结构与所述光学元件之间，用于将所述反射结构发射出的倍频激光聚焦到所述光学元件表面；

所述滤光元件、针孔依次设置在所述光学元件与所述光电探测器之间。

2.根据权利要求1所述的用于检测光学元件弱吸收的装置，其特征在于，所述二向色镜朝向所述非线性晶体的表面镀有对1064nm激光高透、对532nm激光高反的薄膜，其对1064nm激光的透过率T＞99％，对532nm激光的反射率R＞99％；所述二向色镜背向所述非线性晶体的表面镀有对1064nm激光高透的薄膜，其透过率T＞99％。

3.根据权利要求1所述的用于检测光学元件弱吸收的装置，其特征在于，

所述反射结构包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与所述二向色镜相互平行，所述第二反射镜与所述第一反射镜相互垂直，且所述第二反射镜能够沿着泵浦激光的发射方向移动。

4.一种用于检测光学元件弱吸收的装置，其特征在于，包括泵浦激光器、非线性晶体、布氏窗、λ/4波片、第一聚焦镜、第二聚焦镜、针孔及光电探测器；

所述非线性晶体设置在所述泵浦激光器的激光发射端，用于将部分泵浦激 光生成倍频激光；

所述布氏窗与所述非线性晶体具有夹角，用于使得p光透射、s光反射；

所述λ/4波片、第一聚焦镜沿着所述p光透射方向依次设置在所述布氏窗与光学元件之间；

所述第二聚焦镜、针孔以及光电探测器依次设置在被所述布氏窗反射的s光方向上。

5.根据权利要求4所述的用于检测光学元件弱吸收的装置，其特征在于，所述第二聚焦镜与所述布氏窗之间设置有滤光元件。

6.根据权利要求4所述的用于检测光学元件弱吸收的装置，其特征在于，所述非线性晶体由KTP晶体制成，且所述非线性晶体的两端面均镀有对1064nm激光、532nm激光的高透薄膜。

7.一种用于检测光学元件弱吸收的方法，其特征在于，包括如下步骤：

用非线性晶体将泵浦激光中的部分转成倍频激光；

用二向色镜将泵浦激光中的部分所述倍频激光与泵浦激光分离，将分离出的泵浦激光用第一聚焦镜耦合到光学元件的表面，将分离出的倍频激光用反射结构反射、再用第二聚焦镜耦合到光学元件的表面，其中，泵浦激光入射到光学元件表面位置与倍频激光入射到光学元件表面位置相适应；

用光电探测器接收经过光学元件反射出的倍频激光；

分析所述光电探测器转化成的光电信号，得出光学元件弱吸收效率。

8.根据权利要求7所述的用于检测光学元件弱吸收的方法，其特征在于，光电探测器接收到光学元件反射出的倍频激光前包括如下步骤：滤掉除了倍频激光以外的激光；提取倍频激光中部位置的光强。

9.一种用于检测光学元件弱吸收的方法，其特征在于，包括如下步骤：

用非线性晶体将泵浦激光中的部分转成倍频激光；

用布氏窗将泵浦激光、倍频激光中的p光与s光分离，并用λ/4波片将p光的偏振态改变为圆偏振光，再将圆偏振光通过第一聚焦镜耦合到光学元件表面；

经在所述光学元件表面光热效应后的一部分激光束按原路反射，用第二聚 焦镜将反射回的激光束耦合到光电探测器；

根据光电探测器接收到的激光束信号得出光学元件的弱吸收效率。

10.根据权利要求9所述的用于检测光学元件弱吸收的方法，其特征在于，在布氏窗反射出的激光束与光电探测器接收到激光束之间还包括如下步骤：滤掉除了倍频激光外的杂散激光；提取倍频激光中部位置的光强。