CN111982478A - 一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法，它属于光学检测技术领域。本发明通过构造低损耗开放式光学谐振腔，利用腔衰荡法测量低损耗开放式谐振腔内有无待测激光器孔道管路不同情况下的腔损耗值差值，得到待测激光器孔道管路的光学衍射损耗绝对值。相比于现有测量方法，本发明具有测量结果可靠性高、流程简洁等优势，适合工程应用。本发明还提供了一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置。

Description

一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法及装置
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，涉及一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法及装置，尤其涉及一种氦氖激光器光学谐振腔内不同形状孔道(光阑)及通光管路的衍射损耗测量方法及装置。
背景技术
光学谐振腔作为一种重要的光学系统，在激光技术、光谱技术以及精密传感技术等领域有着广泛而重要的应用，其性能的优劣直接影响这些技术领域的应用效果。例如，光学谐振腔作为激光器的重要组成部分，其主要作用是实现激光的正反馈和模式选择，其性能直接影响激光的方向性、单色性、相干性等特性。光学损耗作为光学谐振腔的一项重要性能参数，其精确测量一直是光学测量技术领域研究的热点。光学谐振腔的损耗主要来自腔镜损耗(腔镜高反膜的透射、散射和吸收损耗)、腔内几何偏折损耗、腔内介质吸收散射损耗以及腔内孔道管路衍射损耗等方面。这些损耗项中的主要部分，如腔镜高反膜的损耗，其精确测量方法已有广泛深入的研究，产生了众多专用测量仪器(如分光光度仪、DF透反仪、腔损仪、积分散射仪、微分散射仪、热透镜吸收损耗测量仪等)和典型测量方法(如腔衰荡法)；但是，过去的研究中对于光学谐振腔次要损耗部分的测量，如光学谐振腔孔道管路等衍射损耗的测量，研究较少。而实际上，衍射损耗特性非常重要。以氦氖激光器为例，光学谐振腔衍射损耗特性直接决定了激光器模式特性。针对衍射损耗测量，过去研究中通常采用理论计算结合数值分析的方法，或者对照参数图标查找数值。专利文献【中国，CN104713573A，2015.06.15】针对激光陀螺衍射损耗测量问题，提出了一种测量方法。该方法通过将同一付高反镜组胶合安装在不同孔径大小的光学谐振腔体上，利用腔衰荡法前后两次测量光学谐振腔总损耗的变化量来反演出衍射损耗的大小，为光学谐振腔衍射损耗测量提供了一种思路。但这种方法在实际应用中，由于各光学谐振腔体端面加工误差以及两次镜片安装差异，将导致谐振腔体总损耗变化中引入其它非衍射损耗误差；同时，该方法每次测量都需两次腔镜装调，将导致测量过程繁琐且耗时过长。为此，本发明根据光学谐振腔衍射损耗特点，提出一种激光器孔道管路衍射损耗精确测量方法及装置，可以提高测量结果的准确性以及简化测量过程。
发明内容
本发明针对现有激光器衍射损耗测量方法测量准确性不高、测量过程繁琐等问题，提出一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法及装置，可以提高测量结果的准确性以及简化测量过程。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
如图1、图2和图3所示，一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法，包括以下步骤：
第一步，构建一个与待测激光器光学谐振腔谐振模式参数相同的开放式光学谐振腔1，所述开放式光学谐振腔1包括两片或两片以上高反射率镜片；
第二步，利用腔衰荡法测量所述开放式光学谐振腔1的损耗值δ0；
第三步，将待测激光器孔道管路5同轴插入所述开放式光学谐振腔1的谐振光路上，利用腔衰荡法测量此时开放式光学谐振腔1的损耗值δm；
第四步，将第三步与第二步中测得的损耗值相减，得到待测激光器孔道管路5的衍射损耗值δd＝δm-δ0。
进一步地，所述开放式光学谐振腔1，其光阑直径大于等于待测激光器孔道管路5最细处直径的5倍，其衍射损耗理论值小于等于1ppm。
进一步地，所述开放式光学谐振腔1总损耗小于100ppm。
进一步地，所述腔衰荡法采用腔衰荡测量系统2进行光学损耗测量，所述腔衰荡测量系统2包括激光器2.1、模式匹配镜组2.2、高速光开关2.3、高速光电探测器2.4、高速数据采集卡2.5以及信号控制处理系统2.6，所述激光器2.1可在所述信号控制处理系统2.6的控制下实现连续调频输出激光；所述模式匹配镜组2.2用于调整所述激光器2.1的输出激光入射到待测开放式光学谐振腔1内；所述高速光开关2.3用于控制光路的快速通断；所述高速光电探测器2.4用于接收谐振光信号，其设置在所述开放式光学谐振腔1的谐振输出光路上，其输出端连接所述高速数据采集卡2.5以及所述信号控制处理系统2.6的输入端；所述信号控制处理系统2.6分别连线激光器2.1、高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5，用于控制激光器2.1实现连续调频输出激光，控制高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5使得光路关断过程与腔衰荡信号测量过程同步，并进行信号处理。
如图2和图3所示，一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，包括开放式光学谐振腔1和腔衰荡测量系统2；
所述开放式光学谐振腔1包括两片或两片以上高反射率镜片，其谐振模式参数与待测激光器光学谐振腔的谐振模式参数相同；
所述腔衰荡测量系统2用于利用腔衰荡法测量开放式光学谐振腔1的光学损耗。
进一步地，所述开放式光学谐振腔1，其光阑直径大于等于待测激光器孔道管路5最细处直径的5倍，其衍射损耗理论值小于等于1ppm。
进一步地，所述开放式光学谐振腔1总损耗小于100ppm。
进一步地，所述腔衰荡测量系统2包括激光器2.1、模式匹配镜组2.2、高速光开关2.3、高速光电探测器2.4、高速数据采集卡2.5和信号控制处理系统2.6，所述激光器2.1可在所述信号控制处理系统2.6的控制下实现连续调频输出激光；所述模式匹配镜组2.2用于调整所述激光器2.1的输出激光入射到待测开放式光学谐振腔1内；所述高速光开关2.3用于控制光路的快速通断；所述高速光电探测器2.4用于接收谐振光信号，其设置在所述开放式光学谐振腔1的谐振输出光路上，其输出端连接所述高速数据采集卡2.5以及所述信号控制处理系统2.6的输入端；所述信号控制处理系统2.6分别连线激光器2.1、高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5，用于控制激光器2.1实现连续调频输出激光，控制高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5使得光路关断过程与腔衰荡信号测量过程同步，并进行信号处理。
进一步地，所述激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，还包括共轴调节系统3和分束镜4，所述共轴调节系统3用于实现待测激光器孔道管路5中心与所述开放式光学谐振腔1的光轴重合，包括可调焦镜头3.1、CCD或CMOS相机3.2和显示器3.3，所述可调焦镜头3.1与所述CCD或CMOS相机3.2匹配连接，所述CCD或CMOS相机3.2输出端与所述显示器3.3的输入端连接；所述分束镜4用于将所述开放式光学谐振腔1的谐振输出激光分成两路，一路入射到所述可调焦镜头3.1，另一路入射到所述高速光电探测器2.4。
上述技术方案中，需要注意的是：待测激光器孔道管路是指需要被测量光学衍射损耗的激光器孔道管路；待测激光器光学谐振腔是指包含待测激光器孔道管路的激光器光学谐振腔。
本发明适合测量包括直腔、折叠腔、环形腔或者异面腔等结构光学谐振腔的激光器孔道管路的光学衍射损耗，与其他衍射损耗测量方法相比较，具有以下优点：
(1)本发明通过对比测量开放式光学谐振腔内有无待测激光器孔道管路情况下的损耗值，避免了测量过程中可能引入的其他误差，提高了测量结果的可靠性；
(2)本发明测量过程简单、步骤简洁，更加适合于工程应用。
附图说明
图1为本发明激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法框图。
图2为本发明激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置结构框图。
图3为本发明激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置结构示意图。
图4为本发明调节待测激光器孔道管路同轴插入开放式光学谐振腔示意图。
具体实施方式
下面结合附图阐述本发明的具体实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明的一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法，包括以下步骤：
第一步，构建一个与待测激光器光学谐振腔谐振模式参数相同的开放式光学谐振腔1，所述开放式光学谐振腔1由两片高反射率镜片R1和R2组成，其谐振模式依照激光原理中腔与模的对应关系，通过设计腔的结构(包括腔长和腔镜曲率等)使得腔的模式与待测激光器光学谐振腔的谐振模式参数相同；
第二步，利用腔衰荡法测量所述开放式光学谐振腔1的损耗值δ0；
第三步，将待测激光器孔道管路5同轴插入所述开放式光学谐振腔1的谐振光路上，利用腔衰荡法测量此时开放式光学谐振腔1的损耗值δm；
第四步，将第三步与第二步中测得的损耗值相减，得到待测激光器孔道管路5的衍射损耗值δd＝δm-δ0。
优选地，所述开放式光学谐振腔1，其光阑直径大于等于待测激光器孔道管路5最细处直径的5倍，其衍射损耗理论值小于等于1ppm。
优选地，所述开放式光学谐振腔1总损耗小于100ppm。
优选地，所述腔衰荡法采用腔衰荡测量系统2进行光学损耗测量，所述腔衰荡测量系统2包括激光器2.1、模式匹配镜组2.2、高速光开关2.3、高速光电探测器2.4、高速数据采集卡2.5以及信号控制处理系统2.6，所述激光器2.1可在所述信号控制处理系统2.6的控制下实现连续调频输出激光；所述模式匹配镜组2.2用于调整所述激光器2.1的输出激光入射到待测开放式光学谐振腔1内；所述高速光开关2.3用于控制光路的快速通断；所述高速光电探测器2.4用于接收谐振光信号，其设置在所述开放式光学谐振腔1的谐振输出光路上，其输出端连接所述高速数据采集卡2.5以及所述信号控制处理系统2.6的输入端；所述信号控制处理系统2.6分别连线激光器2.1、高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5，用于控制激光器2.1实现连续调频输出激光，控制高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5使得光关断过程与腔衰荡信号测量过程同步，并进行信号处理。
如图2和图3所示，本发明的一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，包括开放式光学谐振腔1和腔衰荡测量系统2；所述开放式光学谐振腔1由两片高反射率镜片R1和R2组成，其谐振模式参数与待测激光器光学谐振腔的谐振模式参数相同；所述腔衰荡测量系统2用于利用腔衰荡法测量开放式光学谐振腔1的光学损耗。
优选地，所述开放式光学谐振腔1，其光阑直径大于等于待测激光器孔道管路5最细处直径的5倍，其衍射损耗理论值小于等于1ppm。
优选地，所述开放式光学谐振腔1总损耗小于100ppm。
优选地，所述腔衰荡测量系统2包括激光器2.1、模式匹配镜组2.2、高速光开关2.3、高速光电探测器2.4、高速数据采集卡2.5和信号控制处理系统2.6，所述激光器2.1可在所述信号控制处理系统2.6的控制下实现连续调频输出激光，采用带有腔长扫描机构的单纵模氦氖激光器；所述模式匹配镜组2.2用于调整所述激光器2.1的输出激光入射到待测开放式光学谐振腔1内，采用两片透镜组成的模式匹配镜组；所述高速光开关2.3用于控制光路的快速通断，采用高速声光开关；所述高速光电探测器2.4用于接收谐振光信号，采用高速硅光探测器，其设置在所述开放式光学谐振腔1的谐振输出光路上，其输出端连接所述高速数据采集卡2.5以及所述信号控制处理系统2.6的输入端；所述信号控制处理系统2.6分别连线激光器2.1、高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5，用于控制激光器2.1实现连续调频输出激光，控制高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5使得光关断过程与腔衰荡信号测量过程同步，并进行信号处理，采用以单片机为核心的信号控制处理电路系统。
优选地，本发明的一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，还包括共轴调节系统3和分束镜4，如图3所示，所述共轴调节系统3用于实现待测激光器孔道管路5中心与开放式光学谐振腔1的光轴重合，包括可调焦镜头3.1、CCD或CMOS相机3.2和显示器3.3，所述可调焦镜头3.1与所述CCD或CMOS相机3.2匹配连接，所述CCD或CMOS相机3.2输出端与所述显示器3.3的输入端连接；所述分束镜4用于将所述开放式光学谐振腔1的谐振输出激光分成两路，一路入射到所述可调焦镜头3.1，另一路入射到所述高速光电探测器2.4。
具体测量过程如下：信号控制处理电路系统2.6发出三角波调制信号来回扫描安装在单纵模氦氖激光器2.1上的腔长扫描结构，使得单纵模氦氖激光器2.1发出频率周期性调制的单色激光，所述激光经过模式匹配镜组2.2和声光开关2.3后，从R1处入射到由R1和R2组成的开放式光学谐振腔1中，调节R1和R2的倾斜或俯仰角度，使得所述激光在所述开放式光学谐振腔内稳定谐振。此时，所述开放式光学谐振腔1透射光经分束镜4后，分为两束，一束被高速光电探测器2.4接收，另外一束经可调焦镜头3.1后被CCD或COMS相机3.2接收，在显示器3.3中显示，调节共轴调节系统3，使得所述开放式光学谐振腔1的谐振光斑中心位于CCD或COMS相机3.2图像中心，即所述开放式光学谐振腔光轴与可调焦镜头同轴。所述高速光电探测器2.4将透射光信号进行光电转换后，输出给高速数据采集卡2.5和信号控制处理电路系统2.6，所述信号控制处理电路系统2.6在获取多个扫描周期内所述高速光电探测器2.4输出信号的最大值后，设定衰荡阈值VT(该阈值电压可设为最大值的80％～90％)，当所述高速光电探测器2.4输出信号再次大于阈值VT时，信号控制处理电路系统2.6发出触发信号给高速光开关2.3和高速数据采集卡2.5，关断激光入射的同时，开始进行高速数据采集与模数转换，所述高速数据采集卡2.5将转换的信号传输给信号控制处理电路系统2.6后，由信号控制处理电路系统2.6进行单指数拟合，得到所述开放式光学谐振腔1的空腔衰减时间τ0，利用公式δ0＝L/(τ0﹒c),求得腔损耗值δ0，式中L为开放式光学谐振腔的腔长、c为光速；然后，如图4所示，将待测激光器孔道管路5插入所述开放式光学谐振腔1谐振光路上，调节所述可调焦距镜头3.1，使得远离可调焦距镜头3.1的待测激光器孔道管路5端口清晰成像，调节远离可调焦距镜头3.1的待测激光器孔道管路5端口，使得其与开放式光学谐振腔1谐振光中心重合；再调节所述可调焦距镜头3.1，使得靠近可调焦镜头3.1的待测激光器孔道管路5端口清晰成像，再调节靠近可调焦镜头3.1的待测激光器孔道管路5端口，使得其与开放式光学谐振腔1谐振光中心重合；再次开启腔衰荡测量流程，得到所述开放式光学谐振腔腔1内插有待测激光器孔道管路5的腔损耗值δm，计算δd＝δm-δ0得到待测激光器孔道管路5衍射损耗值。
上述实施例中给出了直腔结构光学谐振腔的激光器孔道管路的光学衍射损耗的测量。将折叠腔、环形腔或者异面腔等结构光学谐振腔的激光器孔道管路根据其连续性界定分段，分别测量每一段激光器孔道管路的光学衍射损耗，每一段激光器孔道管路的光学衍射损耗之和即为总的激光器孔道管路的光学衍射损耗，所以本发明同样适合测量折叠腔、环形腔或者异面腔等结构光学谐振腔的激光器孔道管路的光学衍射损耗。
以上是发明人给出的本发明实现的具体例子，但本发明并不局限于该实例。只要是在本发明技术方案结构上做的简单变化，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，构建一个与待测激光器光学谐振腔谐振模式参数相同的开放式光学谐振腔(1)，所述开放式光学谐振腔(1)包括两片或两片以上高反射率镜片；
第二步，利用腔衰荡法测量所述开放式光学谐振腔(1)的损耗值δ0；
第三步，将待测激光器孔道管路(5)同轴插入所述开放式光学谐振腔(1)的谐振光路上，利用腔衰荡法测量此时开放式光学谐振腔(1)的损耗值δm；
第四步，将第三步与第二步中测得的损耗值相减，得到待测激光器孔道管路(5)的衍射损耗值δd＝δm-δ0。
2.根据权利要求1所述的激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法，其特征在于，所述开放式光学谐振腔(1)，其光阑直径大于等于待测激光器孔道管路(5)最细处直径的5倍，其衍射损耗理论值小于等于1ppm。
3.根据权利要求2所述的激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法，其特征在于，所述开放式光学谐振腔(1)总损耗小于100ppm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法，其特征在于，所述腔衰荡法采用腔衰荡测量系统(2)进行光学损耗测量，所述腔衰荡测量系统(2)包括激光器(2.1)、模式匹配镜组(2.2)、高速光开关(2.3)、高速光电探测器(2.4)、高速数据采集卡(2.5)以及信号控制处理系统(2.6)，
所述激光器(2.1)可在所述信号控制处理系统(2.6)的控制下实现连续调频输出激光；
所述模式匹配镜组(2.2)用于调整所述激光器(2.1)的输出激光入射到待测开放式光学谐振腔(1)内；
所述高速光开关(2.3)用于控制光路的快速通断；
所述高速光电探测器(2.4)用于接收谐振光信号，其设置在所述开放式光学谐振腔(1)的谐振输出光路上，其输出端连接所述高速数据采集卡(2.5)以及所述信号控制处理系统(2.6)的输入端；
所述信号控制处理系统(2.6)分别连线激光器(2.1)、高速光开关(2.3)和高速数据采集卡(2.5)，用于控制激光器(2.1)实现连续调频输出激光，控制高速光开关(2.3)和高速数据采集卡(2.5)使得光路关断过程与腔衰荡信号测量过程同步，并进行信号处理。
5.一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，其特征在于，包括开放式光学谐振腔(1)和腔衰荡测量系统(2)；
所述开放式光学谐振腔(1)包括两片或两片以上高反射率镜片，其谐振模式参数与待测激光器光学谐振腔的谐振模式参数相同；
所述腔衰荡测量系统(2)用于利用腔衰荡法测量所述开放式光学谐振腔(1)的光学损耗。
6.根据权利要求5所述的激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，其特征在于，所述开放式光学谐振腔(1)，其光阑直径大于等于待测激光器孔道管路(5)最细处直径的5倍，其衍射损耗理论值小于等于1ppm。
7.根据权利要求6所述的激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，其特征在于，所述开放式光学谐振腔(1)总损耗小于100ppm。
8.根据权利要求5-7任一项所述的激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，其特征在于，所述腔衰荡测量系统(2)包括激光器(2.1)、模式匹配镜组(2.2)、高速光开关(2.3)、高速光电探测器(2.4)、高速数据采集卡(2.5)和信号控制处理系统(2.6)，
所述激光器(2.1)可在所述信号控制处理系统(2.6)的控制下实现连续调频输出激光；
所述模式匹配镜组(2.2)用于调整所述激光器(2.1)的输出激光入射到待测开放式光学谐振腔(1)内；
所述高速光开关(2.3)用于控制光路的快速通断；
所述高速光电探测器(2.4)用于接收谐振光信号，其设置在所述开放式光学谐振腔(1)的谐振输出光路上，其输出端连接所述高速数据采集卡(2.5)以及所述信号控制处理系统(2.6)的输入端；
所述信号控制处理系统(2.6)分别连线激光器(2.1)、高速光开关(2.3)和高速数据采集卡(2.5)，用于控制激光器(2.1)实现连续调频输出激光，并用于控制高速光开关(2.3)和高速数据采集卡(2.5)使得光路关断过程与腔衰荡信号测量过程同步，并进行信号处理。
9.根据权利要求8所述的激光器孔道管路光学衍射损耗测量装置，其特征在于，还包括共轴调节系统(3)和分束镜(4)，所述共轴调节系统(3)用于实现待测激光器孔道管路(5)中心与所述开放式光学谐振腔(1)的光轴重合，包括可调焦镜头(3.1)、CCD或CMOS相机(3.2)和显示器(3.3)，所述可调焦镜头(3.1)与所述CCD或CMOS相机(3.2)匹配连接，所述CCD或CMOS相机(3.2)输出端与所述显示器(3.3)的输入端连接；所述分束镜(4)用于将所述开放式光学谐振腔(1)的谐振输出激光分成两路，一路入射到所述可调焦镜头(3.1)，另一路入射到所述高速光电探测器(2.4)。
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