CN107687935A - 一种高反射腔镜透过率的标定方法 - Google Patents

一种高反射腔镜透过率的标定方法 Download PDF

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王静
崔浩
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Abstract

本发明公开了一种高反射腔镜透过率的标定方法，该方法以高透射光学元件作为参考元件，基于光腔衰荡技术，先测量初始光学谐振腔的输出衰荡信号，拟合得到初始光学谐振腔的衰荡时间τ0；分别垂直和小角度倾斜插入参考高透射光学元件后，形成稳定测试光学谐振腔，分别测量参考高透射光学元件垂直和小角度倾斜时测试光学谐振腔的输出衰荡信号，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间分别为τ1和τ2，经计算得到该参考高透射光学元件的剩余反射率；当参考高透射光学元件小角度倾斜时，测量参考高透射光学元件的反射光强信号与待标定高反射腔镜透射光强信号的比值，实现高反射腔镜透过率的标定。

Description

一种高反射腔镜透过率的标定方法
技术领域
本发明涉及用于测量光学元件参数的技术领域，特别涉及高反射腔镜透过率的测量方法。
背景技术
高反射腔镜广泛使用于高能激光、引力波探测、激光陀螺等技术领域中，其光学参数的准确测量尤为必要。目前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)，而高反射腔镜的透过率准确测量仍是一个问题。目前对反射光学元件的透过率的测量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。然而分光光度技术的测量精度不够高，而且对于高反射光学元件测量时需要足够大动态范围的探测器(一般大于105)。由于探测器动态范围的限制，一般都采用固定衰减片作为参考样品对其高反射光学元件的透过率进行测量，这种间接测量方法，虽然扩大了动态范围，但也增加了一个参考样品，参考样品的透过率仍然由分光光度技术测量，其测量误差会导致高反射光学元件的透过率测量误差。
另外，中国专利申请号201610972470.3的发明专利“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和透过率的方法”中为了同时准确测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率，必须事先准确标定高反射输出腔镜的透过率。而基于传统分光光度技术的高反射输出腔镜透过率标定受测量方法的限制，标定精度难以满足要求。特别是当高反射输出腔镜的透过率低至ppm量级时，基于分光光度技术的测量误差更大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术不足和高反射输出腔镜透过率精确标定的需求，提供一种高反射腔镜透过率的标定方法，将高透射光学元件作为参考样品，其参考样品的反射率由光腔衰荡技术准确测量得到，通过待测高反射腔镜透射信号和参考高透射光学元件的反射信号的比值，或者待测高反射腔镜透射的光腔衰荡信号幅值和参考高透射光学元件反射的光腔衰荡信号幅值的比值，得到待测高反射腔镜的透过率。
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一块平凹高反射镜和一块待测高反射腔镜构成直型腔或者由一块平面镜、一块平凹高反射镜和一块待测高反射腔镜构成“V”型腔，腔长为L0,探测光束从耦合镜注入谐振腔，由待测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垂直插入参考高透射光学元件构成稳定的测试光学谐振腔，将第一个光电探测器测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到该测试光学谐振腔的衰荡时间τ1；
步骤(3)、旋转参考高透射光学元件角度使其反射光束出射到测试光学谐振腔外，并由第二个光电探测器测量其反射光强信号，同时记录第二个和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P1＝I1/I0，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，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τ2，经计算得到参考高透射光学元件的剩余反射率R＝[L+(ns-1)d](1/τ1-1/τ2)/c，其中c为光速，ns为参考高透射光学元件折射率，d为参考高透射光学元件厚度；通过对第二个与第一个探测器的放大倍数比值M的定标得到待测高反射腔镜的透过率T0＝RM/P1。
其中，所述的激光光源可以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，所述的激光输出光束为TEM00模光束。
其中，所述组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的反射镜的反射率均大于99％。
其中，所述参考高透射元件的剩余反射率均在0.0001％-1％之间。
其中，所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔或共焦腔。
其中，所述步骤(3)中光强信号比值也可由第一个和第二个探测器同时测得的光腔衰荡信号的幅值确定。
其中，所述的光腔衰荡信号有以下任一方式实现
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：选取两个同一型号的探测器默认M为1或者用两个不同的探测器对同一信号进行测量，其第二个与第一个探测器测量结果的比值为M。
其中，所述待测高反射腔镜既可以为平凹反射镜也可以为平面镜。
本发明与现有技术相比具有如下技术优点：本发明采用高透射光学元件作为参考样品，该参考样品的剩余反射率通过光腔衰荡技术测量，其测量精度远高于分光光度技术；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，降低了成本。本发明还能实现在线测量，只需要在谐振腔中增加参考样品，不需要改变原来的光路结构。
附图说明
图1为本发明初始谐振腔为折叠腔的高反射腔镜透过率标定的总体结构示意图；
图2为本发明初始谐振腔为直腔的高反射腔镜透过率标定的总体结构示意图
图1中：1为激光光源；2为平面高反射镜；3为待测高反射腔镜；4为平凹高反射镜；5为参考高透射光学元件；6和8为聚焦透镜；7和9为光电探测器；10为函数发生卡；11为数据采集卡；12为计算机；其中图中的粗线为光路，细线为连接线。
图2中：1为激光光源；2为平凹高反射镜；3为待测高反射腔镜；4为参考高透射光学元件；5和7为聚焦透镜；6和8为光电探测器；9为函数发生卡；10为数据采集卡；11为计算机；其中图中的粗线为光路，细线为连接线。
具体实施方式
下面结合图1所述初始谐振腔为折叠腔的测量系统描述本发明的一种高反射腔镜透过率的标定方法。
光源1选用连续半导体激光器，采用函数发生卡10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、待测高反射腔镜3和平凹高反射镜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。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(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垂直插入参考高透射光学元件5构成稳定的测试光学谐振腔，如图1中虚线所示。测试光学谐振腔为稳定光学谐振腔或共焦光学谐振腔。在如图1测量装置中，待测高反射腔镜3的透射光由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7中，参考高透射光学元件5的反射光由聚焦透镜8聚焦到光电探测器9中。在方波下降沿，激光被关断，产生衰荡信号，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(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。将参考高透射光学元件5调偏一定角度，如图1中实线所示，其它都不动，同理在方波下降沿，激光被关断，产生衰荡信号，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(A21，A22为常系数，t为时间)拟合出测试光学谐振腔的衰荡时间τ2，经计算得到参考高透射光学元件的反射率R＝[L+(ns-1)d](1/τ1-1/τ2)/c，其中c为光速，ns为参考高透射光学元件折射率，d为参考高透射光学元件厚度。同时记录光电探测器7和光电探测器9在相同时刻所测光强信号比值P1＝I1/I0，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，通过对第二个与第一个探测器的放大倍数比值M定标得到待测高反射腔镜的T0＝RM/P1。在图1中，如果我们使用的第一个和第二个探测器是同样的探测器，则放大倍数比值M近似为1。
总之，本发明提出了一种高反射腔镜透过率的标定方法，将高透射光学元件作为参考样品，其参考样品的反射率由光腔衰荡技术准确测量得到，通过待测高反射腔镜透射信号和参考高透射光学元件的反射信号的比值，得到待测高反射腔镜的透过率。本发明大大提高了高反射腔镜透过率的测量精度。

Claims (10)

1.一种高反射腔镜透过率的标定方法，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一块平凹高反射镜和一块待测高反射腔镜构成直型腔或者由一块平面镜、一块平凹高反射镜和一块待测高反射腔镜构成“V”型腔，腔长为L0,探测光束从耦合镜注入谐振腔，由待测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垂直插入参考高透射光学元件构成稳定的测试光学谐振腔，将第一个光电探测器测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到该测试光学谐振腔的衰荡时间τ1；
步骤(3)、旋转参考高透射光学元件角度使其反射光束出射到测试光学谐振腔外，并由第二个光电探测器测量其反射光强信号，同时记录第二个和第一个光电探测器在相同时刻所测光强信号比值P1＝I1/I0，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，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τ2，经计算得到参考高透射光学元件的剩余反射率R＝[L+(ns-1)d](1/τ1-1/τ2)/c，其中c为光速，ns为参考高透射光学元件折射率，d为参考高透射光学元件厚度；通过对第二个与第一个探测器的放大倍数比值M的定标得到待测高反射腔镜的透过率T0＝RM/P1。
2.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，其特征在于：所述的激光光源可以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所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，其特征在于：所述的激光输出光束为TEM00模光束。
4.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，其特征在于：所述组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的反射镜的反射率均大于99％。
5.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，其特征在于：所述参考高透射元件的剩余反射率均在0.0001％-1％之间。
6.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，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或共焦腔。
7.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，其特征在于：所述步骤(3)中光强信号比值也可由第一个和第二个探测器同时测得的光腔衰荡信号的幅值确定。
8.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，其特征在于：所述的光腔衰荡信号有以下任一方式实现
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。
9.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，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：选取两个同一型号的探测器默认M为1或者用两个不同的探测器对同一信号进行测量，其第二个与第一个探测器测量结果的比值为M。
10.根据权利要求1所述的一种高反射腔镜透过率的标定方法，其特征在于：待测高反射腔镜既可以为平凹反射镜也可以为平面镜。
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