CN109489939B - 一种高反光学元件的s、p偏振反射率及相位差高精度同时测量方法 - Google Patents

一种高反光学元件的s、p偏振反射率及相位差高精度同时测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其中：一束与S和P偏振方向成一定角度的线偏振激光入射到初始谐振腔，同时探测经过偏振分光镜出射的两束垂直线偏光衰荡信号，将两路衰荡信号的和拟合处理得到初始腔偏振反射率，两路衰荡信号的差拟合处理得到初始衰荡腔的偏振相位差。加入待测样品形成测试谐振腔，同理测量得到测试谐振腔偏振反射率和相位差，经计算就可以得到待测高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差。本测量方法系统结构简单，不仅可同时测量高反射光学元件的偏振反射率和相位差，而且测量精度远高于传统测量方法。

Description

一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测 量方法
技术领域
本发明涉及光学元件参数测量的技术领域，特别涉及一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法。
背景技术
高反射光学元件广泛应用于高功率激光系统、引力波探测、激光陀螺、自适应光学等技术领域中。偏振特性是光束的重要特性之一，高反射光学元件的偏振反射率和相位差已经成为影响光学系统测量精度的重要参数，因此精确测量高反射光学元件的偏振反射率和相位差变得尤为重要。
目前，高反射光学元件偏振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200810055635.4的发明专利“一种用于测量高反射率的装置”均是基于光腔衰荡技术使用谐振腔前面加起偏器分别测量高反射光学元件偏振反射率，不能实现两个偏振同时测量。
对相位差测量一般采用偏振光分析测量法，由使偏振器或补偿器高速旋转等调制偏振方法，以输出最小光强位置或测量输出光腔变化为目的实现相位差测量，但是该方法原理复杂，价格昂贵。
上述的测量方法不能够同时测量高反光学元件的偏振反射率和相位差。
发明内容
本发明的目的是设计一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，通过简单装置，不仅实现高反光学元件的偏振反射率和相位差同时测量，而且测量精度远高于传统测量方法。
本发明采用的技术方案为：一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其实现步骤如下：
步骤(1)、如图1所示，将一束激光经过起偏器2和第一半波片3，与S偏振方向成一定角度θi的线偏振激光注入到稳定的初始光腔，所述初始光腔由一块耦合腔镜11和两块相同的第一平凹反射腔镜4和第二平凹反射腔镜6构成“V”型腔，腔长为L0,激光束从耦合腔镜11注入光腔，由第一平凹反射腔镜4输出，输出的光腔衰荡信号经过第二半波片7(旋转偏振角度θo)和偏振分光镜8，出射的两束垂直线偏光由两个光电探测器即第一光电探测器9和第二光电探测器10探测，关断激光，产生并同时采集两路衰荡信号I01(t)和I02(t)，将两路衰荡信号的和(I01(t)+I02(t))进行双指数拟合处理得到衰荡时间τ0s和τ0p，从而计算得到初始腔偏振反射率R0s和R0p；将两路衰荡信号的差(I01(t)-I02(t))拟合计算得到初始衰荡腔的偏振相位差
Figure BDA0001866147330000025
步骤(2)、在初始光腔内根据使用角度加入待测高反光学元件5，相应地移动待测光学元件后的第二平凹反射腔镜6构成稳定的测试光腔，腔长为L1，同理可以得到测试衰荡腔的偏振反射率R1s和R1p，偏振相位差
Figure BDA0001866147330000026
计算得到待测高反射光学元件5的偏振反射率Rs＝R1s/R0s,Rp＝R1p/R0p，相位差φ＝φ1-φ0。
其中，所述的激光光源可以为脉冲激光或连续激光。
其中，所述步骤(1)中的I01(t)和I02(t)为：
Figure BDA0001866147330000021
Figure BDA0001866147330000022
其中，I0为入射激光能量，τ0s和τ0p分别为谐振腔的S和P偏振衰荡时间，R0s和R0p为谐振腔的平均反射率，ω为共振频率。
其中，所述步骤(1)中反射率计算公式为
Figure BDA0001866147330000023
和
Figure BDA0001866147330000024
其中c为光速，L0为腔长。
其中，所述步骤(1)中两路衰荡信号的差依据I01(t)和I02(t)的公式拟合得到共振频率ω，计算得到偏振相位差φ0＝ωL0/c。
其中，所述组成初始光腔和测试光腔的两块平凹高反射镜反射率均大于99％。
其中，所述初始光腔和测试光腔均为稳定腔，初始光腔腔长L0和测试光腔长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，入射到谐振腔的激光偏振方向与S偏振方向的夹角θi可以通过第一半波片3进行0-180度范围内调节，最优夹角可以根据谐振腔的S和P偏振反射率进行优化。
其中，谐振腔后的第二半波片7的旋转偏振角度θo可以0-180度范围内调节。
其中，第一光电探测器9和第二光电探测器10应为同样放大倍率的探测器。
本发明与现有技术相比具有如下技术优点：
(1)本发明实现了一套装置同时测量高反射光学元件的偏振反射率和相位差，降低了光学元件多参数的测量成本。
(2)本发明的测量技术是基于光腔衰荡技术，光腔衰荡技术的物理本质是激光束在衰荡光腔内多次反射实现光程的有效放大，使得本技术的测量精度远远高于其它测量方法。
(3)本发明装置简单，测量速度快，而且十分容易操作。
附图说明
图1为本发明测量系统总体结构示意图；
1为激光光源；2为起偏器；3为第一半波片；4为第一平凹反射腔镜；5为待测高反光学元件；6为第二平凹反射腔镜；7为第二半波片；8为偏振分光镜；9为第一光电探测器；10为第二光电探测器；11为耦合腔镜。
具体实施方式
下面结合图1所述的测量系统描述本发明的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法。
激光光源1选用方波调制的半导体激光器，将起偏器2的偏振方向调节到竖直方向，将第一半波片3的轴向调节至与竖直方向夹角22.5度，使得入射激光的偏振方向与竖直和水平偏振都成45度即(θi＝45°)。激光入射到由一块耦合腔镜11和两块相同的第一平凹反射镜4和第二平凹反射腔镜6构成稳定初始光振腔，构成初始光腔的反射镜反射率均大于99％，初始光腔为稳定光学谐振腔，腔长L0满足0<L0<2r，其中r为平凹反射镜凹面的曲率半径。入射激光束耦合注入到光学谐振腔，并在谐振腔内震荡。将第二半波片7的轴向调节仍与竖直方向夹角22.5度，使得偏振方向顺时针旋转45度，即(θo＝45°)。在方波下降沿，激光被关断，产生衰荡信号，经过偏振分光镜8分离成竖直和水平的两束信号，分别由第一光电探测器9和第二光电探测器10接收，将第一光电探测器9和第二光电探测器10记录的光腔衰荡信号的总和按公式
Figure BDA0001866147330000031
拟合出初始光学谐振腔的S和P偏振衰荡时间τ0s和τ0p，计算得到初始腔偏振反射率
Figure BDA0001866147330000032
和
Figure BDA0001866147330000033
其中c为光速；第一光电探测器9和第二光电探测器10记录的光腔衰荡信号的差值按公式
Figure BDA0001866147330000034
拟合出共振频率ω，计算得到偏振相位差φ0＝ωL0/c。
在初始光腔中插入待测高反光学元件5，入射角为待测高反光学元件5的使用角度，相应的移动第二平凹反射腔镜6的位置构成稳定的测试光腔，如图1中实线所示，起偏器2和第一半波片3、第二半波片7方向保持不变。测试光腔为稳定光学谐振腔，腔长L1满足0<L1<2r，其中r为平凹反射镜凹面的曲率半径。同理可以得到测试衰荡腔的偏振反射率R1s和R1p，偏振相位差
Figure BDA0001866147330000041
计算得到待测高反射光学元件的偏振反射率Rs＝R1s/R0s,Rp＝R1p/R0p,相位差φ＝φ1-φ0。
总之，本发明提出了一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，实现了高反射光学元件的偏振反射率和相位的同时测量，而且大大提高了测量精度。

Claims (9)

1.一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、将一束与S偏振方向成一定角度θi的线偏振激光注入到稳定的初始光腔，同时采集经过旋转偏振角度θo的第二半波片(7)和偏振分光镜出射的两束垂直光腔衰荡信号I01(t)和I02(t)，将两路衰荡信号的和(I01(t)+I02(t))进行双指数拟合处理得到衰荡时间τ0s和τ0p，从而计算得到初始腔偏振反射率R0s和R0p；将两路衰荡信号的差(I01(t)-I02(t))拟合计算得到初始衰荡腔的偏振相位差
Figure FDA0002553967680000015
其中的I01(t)和I02(t)为：
Figure FDA0002553967680000011
Figure FDA0002553967680000012
其中，I0为入射激光能量，τ0s和τ0p分别为谐振腔的S和P偏振衰荡时间，R0s和R0p为谐振腔的平均反射率，ω为共振频率；
步骤(2)、在初始光腔内根据使用角度加入待测高反光学元件，相应地移动待测光学元件后的平凹高反射输出腔镜构成稳定的测试光腔，腔长为L1，同理可以得到测试衰荡腔的偏振反射率R1s和R1p，偏振相位差
Figure FDA0002553967680000016
计算得到待测高反射光学元件的偏振反射率Rs＝R1s/R0s,Rp＝R1p/R0p,相位差φ＝φ1-φ0。
2.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：所述的激光光源可以为脉冲激光或连续激光。
3.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中反射率计算公式为
Figure FDA0002553967680000013
和
Figure FDA0002553967680000014
其中c为光速，L0为腔长。
4.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中两路衰荡信号的差依据所述的I01(t)和I02(t)公式拟合得到共振频率ω，计算得到偏振相位差φ0＝ωL0/c。
5.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：所述组成初始光腔和测试光腔的两块平凹高反射镜反射率均大于99％。
6.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：所述初始光腔和测试光腔均为稳定腔，初始光腔腔长L0和测试光腔长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。
7.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：入射到谐振腔的激光偏振方向与S偏振方向的夹角θi可以通过第一半波片(3)进行0-180度范围内调节，最优夹角可以根据谐振腔的S和P偏振反射率进行优化。
8.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：谐振腔后的第二半波片(7)的旋转偏振角度θo可以0-180度范围内调节。
9.根据权利要求1所述的一种高反光学元件的S、P偏振反射率及相位差高精度同时测量方法，其特征在于：第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)为同样放大倍率的探测器。
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