CN104502068A - 一种用于检测光学元件弱吸收的装置及方法 - Google Patents
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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，所述装置包括探测激光器、光电接收器，设置在探测激光器与光电接收器之间的第一分光元件、反射镜、第二分光元件。第一分光元件、反射镜、第二分光元件、光学元件围成平行四边形，且依次处于平行四边形的顶点。其还包括产生激励光的激励结构，光学元件表面与激励结构相对设置。相对于现有技术采用的表面热透镜技术，由于光学元件在热作用下变形很小，使得光变化信号很微弱，导致有用的光信号淹没在噪声中，而本发明由于第二激光束与第三激光束间产生的干涉图样较为明显，通过干涉图样来分析光学元件的弱吸收，其检测灵敏度更好，且本发明所述的光学元件的弱吸收装置结构也颇为简单，性价比高。
Description
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(Photodetector)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。
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，包括探测激光器、光电接收器，设置在所述探测激光器与所述光电接收器之间的第一分光元件、反射镜、第二分光元件，所述第一分光元件、第二分光元件、反射镜与光学元件处于同一平面；所述第一分光元件、反射镜、第二分光元件、光学元件围成平行四边形，且依次处于平行四边形的四个顶点；还包括用于产生激励光的激励结构，所述光学元件的表面与所述激励结构相对设置。
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：用第一分光元件将探测激光器发出的第一激光束分成第二激光束与第三激光束；将第二激光束经光学元件表面偏转后与所述第三激光束进行合束得到第四激光束；将所述第四激光束中的杂散光滤掉后被光电探测器接收；用激励光照射光学元件表面，并用所述光电探测器得到所述第二激光束与所述三激光束间的干涉图样；根据干涉图样分析所述光学元件的弱吸收率。
下面对技术方案进一步说明：
在其中一个实施例中，所述第一分光元件、反射镜、第二分光元件、光学元件围成矩形，所述探测激光器的探测光入射到第一分光元件的夹角为45°。
在其中一个实施例中，所述激励结构包括泵浦激光器、聚焦镜，所述聚焦镜设置在所述泵浦激光器与所述光学元件之间。
在其中一个实施例中，所述泵浦激光器与所述聚焦镜之间依次设置有可变衰减器、斩波器。
在其中一个实施例中，所述探测激光器的发射端与所述第一分光元件之间设置有可变光阑。
在其中一个实施例中，所述光电探测器与所述第二分光镜之间设置有滤光元件。
在其中一个实施例中，所述光学元件为光学薄膜。
在其中一个实施例中，所述第一分光元件与所述第二分光元件的物理参数相同。
在其中一个实施例中，所述第二激光束与所述第三激光束合束得到第四激光束的具体方法为：将第三激光束经反射镜偏转后用第二分光元件分束得到第五激光束，将第二激光束经所述光学元件表面偏转后用第二分光元件分束得到第六激光束，调整光学元件、反射镜以及第二分光元件的位置使得所述第五激光束与所述第六激光束合束。
下面对前述技术方案的原理、效果等进行说明：
1、采用本发明所述用于检测光学元件弱吸收的装置，探测激光器发出的第一激光束经第一分光元件分成第二激光束与第三激光束，第二激光束照射到光学元件表面后，发生偏转，且光学元件表面在激励光作用下发生的微弱形变能够改变第二激光束的光程，在将第二激光束与第三激光束合束得到第四激光束后，用光电探测器接收第四激光束，第四束激光束在光电探测器表面的光场分布即是干涉图样，根据干涉图样得出第二激光束的光程改变率，进而得知光学元件表面的弱吸收与激励光之间的关系。相对于现有技术采用的表面热透镜技术，由于光学元件在热作用下变形很小，使得光变化信号很微弱，导致有用的光信号淹没在噪声中，而本发明由于第二激光束与第三激光束间产生的干涉图样较为明显，通过干涉图样来分析光学元件的弱吸收，其检测灵敏度更好，且本发明所述的光学元件的弱吸收装置结构也颇为简单，性价比高。
2、探测激光也即第一激光束，其入射到第一分光元件的角度为45°，因此，分束得到的第二激光束与第三激光束的强度相同，得到的干涉条纹可见度较高。且第一分光元件与第二分光元件的物理参数相同，也能提高干涉条纹的可见度。
3、通过探测激光器发射端设置的可变光阑，其能够连续调节探测激光的光斑尺寸，以适应作用于光学元件的区域大小。通过光电接受器接收端处设置的滤光元件能够将第四激光束中的杂散光滤掉，如此能够提高光电接收器光信号干涉图样的精确度。
4、本发明所述泵浦激光器输出的光束是连续工作的，根据具体需要可选择不同波段的激光器，常用的有工作物质为Nd：YAG的1064nm激光器、工作物质为He-Ne气体的632.8nm激光器以及工作物质为CO2的10.6μm激光器。可变衰减器是用来连续调节激光功率的，以此适应不同吸收率的光学元件。斩波器的作用是调制泵浦激光的强度。聚焦镜的作用是将泵浦激光汇聚到光学元件表面，它可以提高光学元件表面的功率密度，并可以提高测试记过的空间分辨率。
附图说明
图1为本发明所述的用于检测光学元件弱吸收的装置结构示意图。
附图标记说明：
10、探测激光器，11、第一分光镜，12、第二分光镜，13、反射镜，14、可变光阑，20、光电接收器，21、滤光片，30、泵浦激光器，31、透镜，32、斩波器，33、可变衰减器，40、光学薄膜。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种用于检测光学元件弱吸收的装置，包括探测激光器10、光电接收器20，设置在所述探测激光器10与所述光电接收器20之间的第一分光元件(图中示意出的为第一分光镜11)、反射镜13、第二分光元件(图中示意出的为第二分光镜12)，所述第一分光元件、第二分光元件、反射镜13与光学元件处于同一平面。所述第一分光元件、反射镜13、第二分光元件、光学元件围成平行四边形，且依次处于平行四边形的四个顶点，在本发明实施例中，所述光学元件为光学薄膜40。本发明所述用于检测光学元件弱吸收装置还包括用于产生激励光的激励结构，所述光学元件的表面与所述激励结构相对设置。
采用本发明所述用于检测光学元件弱吸收的装置，探测激光器10发出的第一激光束经第一分光元件分成第二激光束与第三激光束，第二激光束照射到光学元件表面后，发生偏转，且光学元件表面在激励光作用下发生的微弱形变能够改变第二激光束的光程，在将第二激光束与第三激光束合束得到第四激光束后，用光电探测器接收第四激光束，第四束激光束在光电探测器表面的光场分布即是干涉图样，根据干涉图样得出第二激光束的光程改变率，进而得知光学元件表面的弱吸收与激励光之间的关系。相对于现有技术采用的表面热透镜技术，由于光学元件在热作用下变形很小，使得光变化信号很微弱，导致有用的光信号淹没在噪声中，而本发明由于第二激光束与第三激光束间产生的干涉图样较为明显，通过干涉图样来分析光学元件的弱吸收，其检测灵敏度更好，且本发明所述的光学元件的弱吸收装置结构也颇为简单，性价比高。
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：用第一分光元件将探测激光器10发出的第一激光束分成第二激光束与第三激光束；将第二激光束经光学元件表面偏转后与所述第三激光束进行合束得到第四激光束；将所述第四激光束中的杂散光滤掉后被光电探测器接收；用激励光照射光学元件表面，并用所述光电探测器得到所述第二激光束与所述三激光束间的干涉图样；根据干涉图样分析所述光学元件的弱吸收率。
上述用于检测光学元件弱吸收的方法，其主要利用光学元件在激励光作用下产生的弱吸收能够引起其表面探测激光的光程变化的特性，并合理采用第一分光镜11、第二分光镜12以及反射镜13，即先将探测激光分成第二激光束与第三激光束，用第二激光束感应光学薄膜40的在激励光作用下的产生的形变，并使第二激光束与第三激光束合束，检测第二激光束与第三激光束间的干涉图样，分析干涉图样与激励光间的关系，即可得出第二激光束的光程改变，由于光程改变能分析出光学薄膜所受到的形变，进而得出光学薄膜40对激励光的弱吸收效率。
所述第一分光元件、反射镜13、第二分光元件、光学元件围成矩形，所述探测激光器10的探测光入射到第一分光元件的夹角为45°。
所述激励结构包括泵浦激光器30、聚焦镜(图中示意出的为透镜31)，所述聚焦镜设置在所述泵浦激光器30与所述光学元件之间。所述泵浦激光器30与所述聚焦镜之间依次设置有可变衰减器33、斩波器32。
所述探测激光器10的发射端与所述第一分光元件之间设置有可变光阑14。所述光电探测器与所述第二分光镜之间设置有滤光元件。所述第一分光元件与所述第二分光元件的物理参数相同。
所述第二激光束与所述第三激光束合束得到第四激光束的具体方法为：将第三激光束经反射镜13偏转后用第二分光元件分束得到第五激光束，将第二激光束经所述光学元件表面偏转后用第二分光元件分束得到第六激光束，调整光学元件、反射镜13以及第二分光元件的位置使得所述第五激光束与所述第六激光束合束。
综上，本发明具有如下优点：
1、采用本发明所述用于检测光学元件弱吸收的装置，探测激光器10发出的第一激光束经第一分光元件分成第二激光束与第三激光束，第二激光束照射到光学元件表面后，发生偏转，且光学元件表面在激励光作用下发生的微弱形变能够改变第二激光束的光程，在将第二激光束与第三激光束合束得到第四激光束后，用光电探测器接收第四激光束，第四束激光束在光电探测器表面的光场分布即是干涉图样，根据干涉图样得出第二激光束的光程改变率，进而得知光学元件表面的弱吸收与激励光之间的关系。相对于现有技术采用的表面热透镜技术，由于光学元件在热作用下变形很小，使得光变化信号很微弱，导致有用的光信号淹没在噪声中，而本发明由于第二激光束与第三激光束间产生的干涉图样较为明显，通过干涉图样来分析光学元件的弱吸收，其检测灵敏度更好，且本发明所述的光学元件的弱吸收装置结构也颇为简单，性价比高。
2、探测激光也即第一激光束，其入射到第一分光元件的角度为45°，因此，分束得到的第二激光束与第三激光束的强度相同，得到的干涉条纹可见度较高。且第一分光元件与第二分光元件的物理参数相同，也能提高干涉条纹的可见度。
3、通过探测激光器10发射端设置的可变光阑14，其能够连续调节探测激光的光斑尺寸，以适应作用于光学元件的区域大小。通过光电接受器接收端处设置的滤光元件能够将第四激光束中的杂散光滤掉，如此能够提高光电接收器20光信号干涉图样的精确度。
4、本发明所述泵浦激光器30输出的光束是连续工作的，根据具体需要可选择不同波段的激光器，常用的有工作物质为Nd：YAG的1064nm激光器、工作物质为He-Ne气体的632.8nm激光器以及工作物质为CO2的10.6μm激光器。可变衰减器33是用来连续调节激光功率的，以此适应不同吸收率的光学元件。斩波器32的作用是调制泵浦激光的强度。聚焦镜的作用是将泵浦激光汇聚到光学元件表面，它可以提高光学元件表面的功率密度，并可以提高测试记过的空间分辨率。
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，包括探测激光器、光电接收器，设置在所述探测激光器与所述光电接收器之间的第一分光元件、反射镜、第二分光元件，所述第一分光元件、第二分光元件、反射镜与光学元件处于同一平面；所述第一分光元件、反射镜、第二分光元件、光学元件围成平行四边形，且依次处于平行四边形的四个顶点；还包括用于产生激励光的激励结构，所述光学元件的表面与所述激励结构相对设置。
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，所述第一分光元件、反射镜、第二分光元件、光学元件围成矩形，所述探测激光器的探测光入射到第一分光元件的夹角为45°。
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，所述激励结构包括泵浦激光器、聚焦镜，所述聚焦镜设置在所述泵浦激光器与所述光学元件之间。
4.根据权利要求3所述的用于检测光学元件弱吸收的装置，其特征在于，所述泵浦激光器与所述聚焦镜之间依次设置有可变衰减器、斩波器。
5.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，所述探测激光器的发射端与所述第一分光元件之间设置有可变光阑。
6.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，所述光电探测器与所述第二分光镜之间设置有滤光元件。
7.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，所述光学元件为光学薄膜。
8.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，所述第一分光元件与所述第二分光元件的物理参数相同。
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：
用第一分光元件将探测激光器发出的第一激光束分成第二激光束与第三激光束；
将第二激光束经光学元件表面偏转后与所述第三激光束进行合束得到第四激光束；
将所述第四激光束中的杂散光滤掉后被光电探测器接收；
用激励光照射光学元件表面，并用所述光电探测器得到所述第二激光束与所述三激光束间的干涉图样；
根据干涉图样分析所述光学元件的弱吸收率。
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，所述第二激光束与所述第三激光束合束得到第四激光束的具体方法为：将第三激光束经反射镜偏转后用第二分光元件分束得到第五激光束，将第二激光束经所述光学元件表面偏转后用第二分光元件分束得到第六激光束，调整光学元件、反射镜以及第二分光元件的位置使得所述第五激光束与所述第六激光束合束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150408 |