CN107132029B - 一种同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法 - Google Patents

一种同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种同时测量高反射/高透射光学元件的反射、透过、散射和吸收的方法，该方法基于光腔衰荡技术，先测量初始光学谐振腔的衰荡时间τ0，然后加入待测高反射/高透射光学元件，测量测试光学谐振腔的衰荡时间τ1，经计算得到高反射/高透射光学元件的反射率/透过率；同时测量高反射/高透射光学元件的透射/反射光强信号和散射光强信号与输出腔镜的透射光强信号的比值，通过定标得到高反射/高透射光学元件的反射率、透过率和散射损耗；光学元件的吸收损耗通过反射率、透过率和散射损耗求得。该测量方法不仅可测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗，而且可对其分布实现高分辨率二维成像。

Description

一种同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散 射损耗和吸收损耗的方法
技术领域
本发明涉及用于测量高反射/高透射光学元件的光学特性的技术领域，特别涉及一种基于光腔衰荡技术能测量高反射/光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法。
背景技术
高反射/高透射光学元件广泛使用于高能激光、引力波探测、激光陀螺等技术领域中。精确测量高反射元件和高透射元件的光学特性尤为重要。
高反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“一种反射镜高反射率的测量方法”、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”均是使用光腔衰荡技术测量其高反射镜的反射率。高透射光学元件透过率测量同样可以采用光腔衰荡技术。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高透射光学元件的透过率。光腔衰荡技术解决了高反射/高透射光学元件反射率/透过率测量问题。
对高透射/高反射光学元件的反射率/透过率的测量则仍然采用分光光度技术。中国专利申请号201210524943.5的发明专利“一种光学元件透过率的测量方法及装置”、中国专利申请号201310013193.X的发明专利“一种光刻机中照明系统各光学组件透过率的测量装置及测量方法”通过分光光度法将特定波长的激光光束进行分束，得到两束光分别通过参考光路和测试光路来测量光学元件的透过率。分光光度技术也可以来测量光学元件的反射率。
光学元件的散射损耗大多数是通过积分散射仪测得。对高反射/高透射光学元件的单点反射率、透过率和散射损耗用不同装置分别测量不能保证其测试的是同一个位置，元件处于同一个状态，而且装置复杂、操作麻烦、耗时耗力。目前未见能同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的测量方法，因此发展一种能够同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗，并可以满足其二维扫描成像的测量方法十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：将基于光腔衰荡技术的高反射率/透过率测量方法，基于分光光度技术的反射率/透过率测量方法和基于积分散射的散射损耗测量方法集成起来，采用同一个激光光源，实现高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的同时测量，还可以满足光学元件二维扫描成像测量，并具有测量精度高等优点。
其实现步骤如下：
步骤(1)、将一束激光光束注入到稳定的初始光学谐振腔，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或者由一块平面反射镜和两块相同的平凹高反射镜构成“V”型腔，腔长为L0,探测光束从耦合镜注入谐振腔，由平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号由第一个光电探测器测量；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的衰荡时间τ0；
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，如果待测光学元件是高透射光学元件，不需要移动平凹高反射腔镜构成稳定的测试光学谐振腔；如果待测光学元件是高反射光学元件，相应地移动平凹高反射输出腔镜构成稳定的测试光学谐振腔；腔长为L1，从待测高反射/高透射光学元件的透射/反射光强信号由第二个光电探测器测量，高反射/高透射光学元件的散射光强信号由积分半球或离轴抛面镜聚焦到第三个光电探测器测量；待测光学元件可放置于二维平移台上，同时记录三个光电探测器在相同时刻所测光强信号，I0为第一个光电探测器探测得到的光强信号，I1为第二个光电探测器探测得到的光强信号，I2为第三个光电探测器探测得到的光强信号，通过对第二个与第一个探测器的放大倍数比值M1，第三个与第一个探测器的放大倍数比值M2和输出腔镜透过率T0的定标得到待测高反射/高透射光学元件的透过率T/反射率R为I1T0/I0M1和散射损耗S＝I2T0/I0M2；关断激光，将第一个或第二个探测器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，经计算得到待测高反射光学元件的反射率R＝(L0/cτ0-L1/cτ1)或待测高透射光学元件的透过率
Figure GDA0002421117100000021
其中c为光速，ns为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度；通过计算得到光学元件的吸收损耗A＝1-R-T-S。
其中，所述的激光束为脉冲激光或连续激光，连续激光采用半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或者气体激光器产生。
其中，所述的激光光束为TEM00模光束。
其中，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，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，所述的光腔衰荡信号由以下任一方式实现：
a.光源采用脉冲激光，可直接得到光腔衰荡信号；
b.光源采用连续半导体激光器作光源，当光腔输出信号高于触发开关电路设定的阈值时，快速关闭半导体激光器的激励电压或电流，得到光腔衰荡信号；
c.光源采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或者气体激光器作光源，当光腔输出信号高于设定的阈值时，在激光器和输入腔镜之间采用快速光开关关闭光束，得到光腔衰荡信号；
d.采用方波调制激光驱动电源，或者采用斩波器、声光或电光调制器调制激光束，当光腔输出信号高于设定的阈值时，采用方波下降沿快速关闭激光束，得到光腔衰荡信号。
其中，所述步骤(2)的探测器放大倍数比值M通过下面方法求得：用两个不同的探测器对同一信号进行测量，其测量结果的比值为M。
其中，所述步骤(2)中将输出腔镜作为参考样品，其透过率T0需提前标定。
此外，通过二维平移台移动待测光学元件的横向/纵向位置，实现光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的二维扫描测量，得到待测光学元件其光学特性的二维分布。
其中，若待测光学元件为不需要扫描测量的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：本发明将基于光腔衰荡技术的高反射率/透过率测量方法、基于分光光度技术的反射率/透过率测量方法和基于积分散射的散射损耗测量方法集成在一起，实现了一套装置可以同时测量高反射/高透射光学元件同一位置的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗。本发明采用光腔衰荡技术，大大放大了谐振腔内的激光功率，降低了对光源功率和探测器增益的要求，提高了测量精度，降低了成本。本发明还能实现光学元件二维扫描成像测量，得到待测光学元件光学特性的二维分布。
附图说明
图1为本发明初始光腔为折叠腔、采用积分半球收集散射信号的高反射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图2为本发明初始光腔为折叠腔、采用积分半球收集散射信号的高透射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图3为本发明初始光腔为折叠腔、采用离轴抛面镜收集散射信号的高反射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图4为本发明初始光腔为折叠腔、采用离轴抛面镜收集散射信号的高透射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图5为本发明初始光腔为直腔、采用积分半球收集散射信号的高反射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图6为本发明初始光腔为直腔、采用积分半球收集散射信号的高透射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图7为本发明初始光腔为直腔、采用离轴抛面镜收集散射信号的高反射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图8为本发明初始光腔为直腔、采用离轴抛面镜收集散射信号的高透射光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗同时测量的总体结构示意图；
图9为采用图一装置对一块高反样品的扫描测量结果，其中(a)为反射率测量结果，(b)为透过率测量结果，(c)为散射测量结果，
图1、图2、图3和图4中：1为激光光源；2为平面高反射镜；3和4为平凹高反射镜；5为待测光学元件；6和8为聚焦透镜；7、9和11为光电探测器；12为二维位移平移台；13为函数发生卡；14为数据采集卡；15为计算机；其中平凹高反射镜3为平凹高反射输出腔镜，图中的粗线为光路，细线为连接线。
图1和图2中10为积分半球；图3和图4中10为一对离轴抛面镜。
图5、图6、图7和图8中：1为激光光源；2和3为平凹高反射镜；4为待测光学元件；5和7为聚焦透镜；6、8和10为光电探测器；11为二维位移平移台；12为函数发生卡；13为数据采集卡；14为计算机；其中平凹高反射镜3为平凹高反射输出腔镜，图中的粗线为光路，细线为连接线。
图5和图6中9为积分半球；图7和图8中9为一对离轴抛面镜。
具体实施方式
下面结合图1和图2所述的测量系统描述本发明的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法。
光源1选用连续半导体激光器，采用函数发生卡13方波同步调制输出；根据光反馈光腔衰荡技术，将激光注入到稳定光学谐振腔。由平面高反镜2和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条件，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。入射激光束通过平面高反射镜2注入到光学谐振腔，并在谐振腔内震荡。在方波下降沿，激光被关断，产生衰荡信号，将光电探测器7记录的光腔衰荡信号按单指数衰减函数
Figure GDA0002421117100000051
(A01，A00为常系数，t为时间)拟合出初始光学谐振腔的衰荡时间τ0。
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置于二维平移台12上。如果待测光学元件是高反射光学元件，相应地移动平凹高反镜4的位置构成稳定的测试光学谐振腔，如图1中实线所示。如果待测光学元件是高透射光学元件，不需要移动平凹高反镜4的位置构成稳定的测试光学谐振腔，如图2中实线所示。测试光学谐振腔为稳定光学谐振腔，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。在如图1和图2所示的测量装置中，平凹高反射镜3的透射光由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7中。待测高反射光学元件5的透射光由聚焦透镜8聚焦到光电探测器9中，如图1所示；待测高透射光学元件5的反射光由聚焦透镜8聚焦到光电探测器9中，如图2所示。光学元件的散射损耗信号由积分半球10聚焦到光电探测器11中。同时记录光电探测器7、光电探测器9和光电探测器11在相同时刻所测的光强信号，I0为光电探测器7探测得到的参考光束光强信号，I1为光电探测器9探测得到的探测光束光强信号，I2为光电探测器11探测得到的散射光强信号。通过对光电探测器9与光电探测器7的放大倍数比值M1，光电探测器11与光电探测器7的放大倍数比值M2和输出腔镜透过率T0的定标得到待测高反射/高透射光学元件的透过率T/反射率R为I1T0/I0M1和散射损耗S＝I2T0/I0M2。
在方波下降沿关断激光，产生光腔衰荡信号，将光电探测器7或光电探测器9记录的光腔衰荡信号按单指数衰减函数
Figure GDA0002421117100000053
(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。通过图1所示装置得到待测高反射光学元件5的反射率R＝exp(L/cτ0-L1/cτ1)；通过图2所示装置得到待测高透射光学元件5的透过率
Figure GDA0002421117100000052
其中c为光速，L0为初始光学谐振腔腔长，L1为测试光学谐振腔腔长，ns为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度。通过移动放置于二维平移台12上的待测光学元件的位置可以实现光学元件的二维扫描测量，得到待测光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗分布。若待测光学元件为不需要扫描测量的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平移台上。
总之，本发明提出了一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法。本发明将基于光腔衰荡技术的高反射率/透过率测量方法、基于分光光度技术的反射率/透过率测量方法和基于积分球的散射损耗测量方法集成在一起，实现了一套装置可以同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗。本发明还能满足对光学元件(比如大口径元件)表面二维扫描成像测量，得到待测光学元件光学特性的二维分布。

Claims (10)

1.一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其实现步骤如下：
步骤(1)、将一束激光光束注入到稳定的初始光学谐振腔，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或者由一块平面反射镜和两块相同的平凹高反射镜构成“V”型腔，腔长为L0,探测光束从耦合镜注入谐振腔，由平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号由第一个光电探测器测量；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的衰荡时间τ0；
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，如果待测光学元件是高透射光学元件，不需要移动平凹高反射腔镜构成稳定的测试光学谐振腔；如果待测光学元件是高反射光学元件，相应地移动平凹高反射输出腔镜构成稳定的测试光学谐振腔；腔长为L1，从待测高反射/高透射光学元件的透射/反射光强信号由第二个光电探测器测量，高反射/高透射光学元件的散射光强信号由积分半球或离轴抛面镜聚焦到第三个光电探测器测量；待测光学元件可放置于二维平移台上，同时记录三个光电探测器在相同时刻所测光强信号，I0为第一个光电探测器探测得到的光强信号，I1为第二个光电探测器探测得到的光强信号，I2为第三个光电探测器探测得到的光强信号，通过对第二个与第一个探测器的放大倍数比值M1，第三个与第一个探测器的放大倍数比值M2和输出腔镜透过率T0的定标得到待测高反射/高透射光学元件的透过率T/反射率R为I1T0/I0M1和散射损耗S＝I2T0/I0M2；关断激光，将第一个或第二个探测器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，经计算得到待测高反射光学元件的反射率R＝(L0/cτ0-L1/cτ1)或待测高透射光学元件的透过率
Figure FDA0002421117090000011
其中c为光速，ns为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度；通过计算得到光学元件的吸收损耗A＝1-R-T-S。
2.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其特征在于：所述的激光光束为脉冲激光或连续激光， 连续激光采用半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或者气体激光器产生。
3.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其特征在于：所述的激光光束为TEM00模光束。
4.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，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平凹高反射镜的反射率均大于99％。
5.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，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，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。
6.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其特征在于：所述的光腔衰荡信号由以下任一方式实现
a.光源采用脉冲激光，可直接得到光腔衰荡信号；
b.光源采用连续半导体激光器作光源，当光腔输出信号高于触发开关电路设定的阈值时，快速关闭半导体激光器的激励电压或电流，得到光腔衰荡信号；
c.光源采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或者气体激光器作光源，当光腔输出信号高于设定的阈值时，在激光器和输入腔镜之间采用快速光开关关闭光束，得到光腔衰荡信号；
d.采用方波调制激光驱动电源，或者采用斩波器、声光或电光调制器调制激光束，当光腔输出信号高于设定的阈值时，采用方波下降沿快速关闭激光束，得到光腔衰荡信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其特征在于：所述步骤(2)的探测器放大倍数比值M通过下面方法求得：用两个所用的探测器对同一信号进行测量，其测量结果的比值为M。
8.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其特征在于：所述步骤(2)中将输出腔镜作为参考样品，其透过率T0需提前测量标定。
9.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其特征在于：通过二维平移台移动待测光学元件的横向/纵向位置，实现光学元件反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的二维扫描测量，得到待测光学元件其光学特性的二维分布。
10.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法，其特征在于：若待测光学元件为不需要扫描测量的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。
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