CN105973849A - 光学材料损耗的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光学材料损耗的测量装置和测量方法，本发明通过测量仅厚度不同的样品组在同一入射角下的透过率差异来去除表面损耗的影响，从而获得样品的材料损耗。测量时通过消除光束偏移和表面缺陷影响提高测量精度。通过增加样品的组数，提高整体损耗量，同时利用锁相放大技术抑制噪声，提高信噪比，从而进一步提高材料损耗的测量精度。本发明装置和方法具有结构简易、调整方便和精度较高的特点。

Description

光学材料损耗的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量，特别是一种光学材料损耗测量装置和测量方法。

背景技术

在高功率激光装置内，各类光学材料形成的光学元件的损耗不仅影响着激光的最大输出能量，也关系到光束的输出质量。而光学元件的各类损耗值，比如表面散射损耗和材料损耗，分别与元件不同的制备过程相关。精确测量光学元件的损耗值，有助于进一步优化元件的制备工艺，进而有利于进一步降低损耗。

现有的各类损耗的测量方法有，分光光度法、总积分散射法、光声法和光热法等。分光光度法通过测量光学元件的透过率和反射率，在不考虑元件散射的情况下，反推出元件的损耗。目前分光光度计多采用白光光源，再经过单色系统单色化，其中不可避免的存在电子噪声，同时白光发散角偏大，不易对光学元件的测量角度精确定位。总积分散射法则是通过积分球收集散射光，从而得到元件的散射损耗。但其主要应用于薄膜样品，对于较厚的体材料而言，入射光到元件后表面之间的距离不能忽略，积分球并不能收集到整个空间内的散射光，因此测量误差较大。光声法是通过光学元件在激光辐照后，元件内的光声波的波形变化来得到元件的弱吸收引起的损耗。而光热法，则是利用激光辐照光学元件引起光学元件表面结构以及性能变化，同时光热信号随着变化，从而反推出元件弱吸收引起的损耗。比如光热偏转法，则是利用泵浦光辐照后，探测光的偏转来得到元件的弱吸收损耗。但其受泵浦光和探测光相对位置影响较大，对实验装置和实验操作要求较高，目前还是主要应用于薄膜样品。上述的方法都不能简单快速的得到光学材料损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学材料损耗测量装置和测量方法。该方法通过测量仅厚度不同的样品组在同一入射角下的透过率差异来去除表面损耗的影响，从而获得样品的材料损耗。测量时通过消除光束偏移和表面缺陷影响提高测量精度。通过增加样品的组数，提高整体损耗量，同时利用锁相放大技术抑制噪声，提高信噪比，从而进一步提高材料损耗的测量精度。该装置和方法具有结构简易、调整方便和精度较高的特点。

本发明的基本原理主要基于以下几点：

1.双光路透过率测量法

透过率测量方法常分为单光路法和双光路法。双光路法常利用分束器将光束分为两束光，一束作为参考光束，一束作为测量光束。其中测量光束经过待测样品，经光电探测器后采集到信号强度为P；参考光束直接射入光电探测器，经光电探测器后采集到信号强度为P₀。比较两路光信号强度，获得透射率。双光路系统光路较复杂，增加原件需考虑参考光路光程的变化，难以扩展。但对于双光路来说，可以有效地减少光源或光路引起的不稳定性对测试精度的影响，并且具有较快的测试速度。

2.锁相放大技术

在微弱信号检测中，锁相放大器通常与斩波器组合来检测微弱信号，提高系统信噪比。在光学测量系统中，斩波器用来将光源发出的连续光束斩波成脉冲信号，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁相放大器的参考信号。锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。

本发明的技术解决方案如下：

一种光学材料损耗的测量装置，特点在于其构成包括：

固体激光器，沿该固体激光器的激光输出方向依次是斩波器和分束器，所述的分束器将固体激光器发出的激光光束分成测量光束和参考光束，在所述的测量光束方向依次是第一光学平台和第一光电探测器，在参考光束方向设置第二光电探测器，所述的第一光电探测器的输出端、第二光电探测器的输出端和所述的斩波器的输出端与锁相放大器输入端相连；该锁相放大器的输出端经数据采集卡与计算机的输入端相连；

He-Ne激光器的输出激光光束与所述的测量光束重合；在第二光学平台上设置CCD探测器；该CCD探测器的输出端经图像采集卡与计算机的输入端相连。

利用上述光学材料损耗测量装置获得光学材料损耗的测量方法，包括下列步骤：

1)在所述的第一光学平台上放置第一样品组，在该第一样品组中包含多组样品，其中每一组样品由入射角度为θ并成镜像放置的厚度为d₁的两块样品组成来消除光束偏移；

2)开启所述的He-Ne激光器，移动所述的CCD探测器，使其依次对准所述的第一样品组中每个样品表面的测量区域，即He-Ne激光照射在样品表面的点域，所述的CCD探测器的测量信号经由所述的图像采集卡输入并显示在所述的计算机的显示屏上，观察每个样品测量区域的表面情况，若样品测量区域有表面缺陷，则沿所述的测量光束方向移动该样品，改变测量区域，使该测量区域无表面缺陷，直至第一样品组中每个样品的测量区域无表面缺陷；

3)关闭所述的He-Ne激光器，开启所述的固体激光器和锁相放大器，记录所述的第一光电探测器经由所述的锁相放大器输出的电压信号V₁，所述的第二光电探测器经由所述的锁相放大器输出的电压信号V₂；取下所述的第一光学平台上的第一样品组，记录所述的第一光电探测器经由所述的锁相放大器输出的电压信号V₁’，所述的第二光电探测器经由所述的锁相放大器输出的电压信号V₂’；按公式T＝V₁’V₂/V₂’V₁计算得到第一样品组的透过率T₁；

4)在所述的第一光学平台上放置由厚度为d₂的由多组样品组成的第二样品组，返回步骤1)，测量得到第二样品组的透过率T₂；

5)根据光学材料的入射角度θ、折射率n、样品组厚度差∣d₂-d₁∣，按公式计算所述的第一样品组和第二样品组的光程差L；

6)根据所述的第一样品组和第二样品组的透过率差值∣T₂-T₁∣和光程差L,按公式α＝∣T₂-T₁∣/L计算该光学材料的单位长度的材料损耗α。

本发明与在先技术相比较具有以下技术效果：

1)本发明通过仅厚度不同的两组样品的透过率相减获得光学材料损耗，降低表面损耗对材料损耗测量的影响；通过CCD探测器观察样品测量区域的表面缺陷情况，确保测量区域无表面缺陷，从而可消除表面缺陷对材料损耗测量的影响；

2)本发明通过将两块样品在同一入射角度下成镜像放置，可测得光学材料在任意角度下的材料损耗，同时消除入射角度带来的光束偏移，提高损耗测量精度；

3)本发明通过增加样品组数增加损耗量，同时采用锁相放大技术抑制噪声，从而提升信噪比，提高光学材料损耗的测量精度。

附图说明

图1是本发明光学材料损耗的测量装置示意图。

图中：1-固体激光器，2-斩波器，3-分束器，4-第一光学平台，5-第一光电探测器，6-第二光电探测器，7-锁相放大器，8-数据采集卡9-He-Ne激光器，10-CCD探测器，11-第二光学平台，12-图像采集卡，13-计算机

图2是本发明测量时一组样品的放置示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明光学材料损耗测试装置示意图，由图可见，一种光学材料损耗的测量装置，特征在于其构成包括：

固体激光器1，沿该固体激光器1的激光输出方向依次是斩波器2和分束器3，所述的分束器3将固体激光器1发出的激光光束，分成测量光束和参考光束，在所述的测量光束方向依次是第一光学平台4和第一光电探测器5，在参考光束方向设置第二光电探测器6，所述的第一光电探测器5的输出端、第二光电探测器6的输出端和所述的斩波器2的输出端与锁相放大器7输入端相连；该锁相放大器7的输出端经数据采集卡8与计算机13的输入端相连；

He-Ne激光器9的输出激光光束与所述的测量光束重合；在第二光学平台11上设置CCD探测器10；该CCD探测器10的输出端经图像采集卡12与计算机13的输入端相连。

利用所述的测量装置实现光学材料损耗测量方法，包括如下步骤：

1)在所述的第一光学平台4上放置第一样品组，在该第一样品组中包含多组样品，其中每一组样品由入射角度为θ并成镜像放置的厚度为d₁的两块样品组成来消除光束偏移；

2)开启所述的He-Ne激光器9，移动所述的CCD探测器10，使其依次对准所述的第一样品组中每个样品表面的测量区域，即He-Ne激光照射在样品表面的点域，所述的CCD探测器10的测量信号经由所述的图像采集卡12输入并显示在所述的计算机13的显示屏上，观察每个样品测量区域的表面情况，若样品测量区域有表面缺陷，则沿所述的测量光束方向移动该样品，改变测量区域，使该测量区域无表面缺陷，直至第一样品组中每个样品的测量区域无表面缺陷；

3)关闭所述的He-Ne激光器9，开启所述的固体激光器1和锁相放大器7，记录所述的第一光电探测器5经由所述的锁相放大器7输出的电压信号V₁，所述的第二光电探测器6经由所述的锁相放大器7输出的电压信号V₂；取下所述的第一光学平台4上的第一样品组，记录所述的第一光电探测器5经由所述的锁相放大器7输出的电压信号V₁’，所述的第二光电探测器6经由所述的锁相放大器7输出的电压信号V₂’；按公式T＝V₁’V₂/V₂’V₁计算得到第一样品组的透过率T₁；

4)在所述的第一光学平台4上放置由厚度为d₂的由多组样品组成的第二样品组，返回步骤1)，测量得到第二样品组的透过率T₂；

5)根据光学材料的入射角度θ、折射率n、样品组厚度差∣d₂-d₁∣，按公式计算所述的第一样品组和第二样品组的光程差L；

6)根据所述的第一样品组和第二样品组的透过率差值∣T₂-T₁∣和光程差L,按公式α＝∣T₂-T₁∣/L计算该光学材料的单位长度的材料损耗α。

对于材料损耗较小的光学材料，可以增加待测样品组中的样品个数，提高样品组的整体损耗量，同时采用锁相放大技术抑制噪声，从而提升信噪比，提高光学材料损耗的测量精度。

实验表明，通过本发明装置和方法可简单快速的得到测量精度较高的光学材料损耗。

Claims (2)

1.一种光学材料损耗的测量装置，特征在于其构成包括：

固体激光器(1)，沿该固体激光器(1)的激光输出方向依次是斩波器(2)和分束器(3)，所述的分束器(3)将固体激光器(1)发出的激光光束，分成测量光束和参考光束，在所述的测量光束方向依次是第一光学平台(4)和第一光电探测器(5)，在参考光束方向设置第二光电探测器(6)，所述的第一光电探测器(5)的输出端、第二光电探测器(6)的输出端和所述的斩波器(2)的输出端与锁相放大器(7)输入端相连；该锁相放大器(7)的输出端经数据采集卡(8)与计算机(13)的输入端相连；

He-Ne激光器(9)的输出激光光束与所述的测量光束重合；在第二光学平台(11)上设置CCD探测器(10)；该CCD探测器(10)的输出端经图像采集卡(12)与计算机(13)的输入端相连。

2.利用权利要求1所述的装置进行光学材料损耗的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

1)在所述的第一光学平台(4)上放置第一样品组，在该第一样品组中包含多组样品，其中每一组样品由入射角度为θ并成镜像放置的厚度为d₁的两块样品组成，消除光束偏移；

2)开启所述的He-Ne激光器(9)，移动所述的CCD探测器(10)，使其依次对准所述的第一样品组中每个样品表面的测量区域，即He-Ne激光照射在样品表面的点域，所述的CCD探测器(10)的测量信号经由所述的图像采集卡(12)输入并显示在所述的计算机(13)的显示屏上，观察每个样品测量区域的表面情况，若样品测量区域有表面缺陷，则沿所述的测量光束方向移动该样品，改变测量区域，使该测量区域无表面缺陷，直至第一样品组中每个样品的测量区域无表面缺陷；

3)关闭所述的He-Ne激光器(9)，开启所述的固体激光器(1)和锁相放大器(7)，记录所述的第一光电探测器(5)经由所述的锁相放大器(7)输出的电压信号V₁，所述的第二光电探测器(6)经由所述的锁相放大器(7)输出的电压信号V₂；取下所述的第一光学平台(4)上的第一样品组，记录所述的第一光电探测器(5)经由所述的锁相放大器(7)输出的电压信号V₁’，所述的第二光电探测器(6)经由所述的锁相放大器(7)输出的电压信号V₂’；按公式T＝V₁’V₂/V₂’V₁计算得到第一样品组的透过率T₁；

4)在所述的第一光学平台(4)上放置由厚度为d₂的由多组样品组成的第二样品组，返回步骤1)，测量得到第二样品组的透过率T₂；

5)根据光学材料的入射角度θ、折射率n、样品组厚度差∣d₂-d₁∣，按公式计算所述的第一样品组和第二样品组的光程差L；

6)根据所述的第一样品组和第二样品组的透过率差值∣T₂-T₁∣和光程差L,按公式α＝∣T₂-T₁∣/L计算该光学材料的单位长度的材料损耗α。