CN112539920B - 一种激光光学元件高反射率测量方法 - Google Patents

一种激光光学元件高反射率测量方法 Download PDF

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Abstract

为了解决传统激光光学元件高反射率的测量方法测量精度不高的问题，本发明提出一种激光光学元件高反射率测量方法。本发明基于双光路干涉原理，采用空测+实测进行高反射率元件的反射率精确测量，两干涉光路的分光比例大，先获取空测的条纹对比度，然后在光路中加入待测高反射镜进行实测，获得实测的条纹对比度，通过干涉条纹对比度的变化计算待测高反射镜的反射率值，可以实现待测高反射镜反射率的溯源，实现高反射率的高精度测量。

Description

一种激光光学元件高反射率测量方法
技术领域
本发明属于激光测量技术及装备领域，涉及一种激光光学元件高反射率的测量方法。
背景技术
在激光系统中，反射镜是一种大量应用的基本元件，其作用是实现光路偏折，改变光路的布局，使仪器结构紧凑等，其中高反射率的反射镜大量应用在激光系统的腔镜、ICF激光装置的传输反射镜、高功率加工的振镜等等，此类反射镜均要求具备高的反射率，以提高系统的输出效率，减少光能损失。目前，激光光学元件高反射率的测量是一个难点，尤其对于反射率＞99.9％的测量，传统的方法(例如采用分光光度计进行测量的方式)因光源功率稳定性的问题及探测器本底噪声的问题，往往难以达到高的测量精度。
发明内容
为了解决传统激光光学元件高反射率的测量方法测量精度不高的问题，本发明提出一种激光光学元件高反射率测量方法。
本发明的技术方案是：
一种激光光学元件高反射率测量装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的光纤点源、准直镜、分光棱镜和反射镜；在反射镜的反射光路上设置有第一自准反射镜；准直镜的输出光束经分光棱镜反射后的反射光路上设置有旋转载物台；旋转载物台上设置有第二自准反射镜，通过调整旋转载物台可以使第二自准反射镜切入/切出光路；旋转载物台还用于设置待测反射镜；在待测反射镜或第二自准反射镜输出光束经分光棱镜透射后的透射光路上设置有CCD相机；第一自准反射镜和第二自准反射镜的反射率相等。
进一步地，光纤点源的芯径小于准直镜的衍射艾利斑。
进一步地，反射镜采用不镀膜的裸板玻璃。
进一步地，第一自准反射镜、第二自准反射镜采用材料、加工方式完全相同的裸板玻璃。或者，第一自准反射镜、第二自准反射镜采用材料、加工方式及镀膜完全相同的反射镜。
进一步地，CCD相机采用大动态制冷型CCD相机。
本发明同时提供了一种利用上述的激光光学元件高反射率测量装置测量激光光学元件高反射率的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：空测
1.1)调整旋转载物台将第二自准反射镜切入分光棱镜的反射光路中；
1.2)利用CCD相机获取双光束干涉条纹；
1.3)计算双光束干涉条纹的对比度v：
Figure GDA0003173587990000021
其中，
I为光源的入射强度；
I0为空测时参考光束的强度，
Figure GDA0003173587990000022
I1为空测时测量光束的强度，I1＝I×K×(1-K)×ρ6；
K为分光棱镜的反射率；
ρ4、ρ5、ρ6分别为反射镜、第一自准反射镜和第二自准反射镜的反射率；
Figure GDA0003173587990000023
Imax、Imin分别为步骤1.2)得到的干涉条纹图像中的强度最大值和最小值；步骤2：实测
2.1)将待测反射镜置于旋转载物台上，并使其位于分光棱镜的反射光路中，调整旋转载物台使第二自准反射镜位于待测反射镜的反射光路上；
2.2)利用CCD相机获取双光束干涉条纹；
2.3)计算双光束干涉条纹的对比度v′：
Figure GDA0003173587990000031
其中，
ρ为待测反射镜的反射率；
I′max、I′min分别为步骤2.2)得到的干涉条纹图像中的强度最大值和最小值；步骤3：计算待测反射镜的反射率ρ
将步骤1.3)与步骤2.3)中的公式相除，并将I0、I1的计算公式代入，得
Figure GDA0003173587990000032
利用该式即可求解待测反射镜的反射率ρ。
本发明的优点是：
本发明基于双光路干涉原理，采用空测+实测进行高反射率元件的反射率精确测量，两干涉光路的分光比例大，先获取空测的条纹对比度，然后在光路中加入待测高反射镜进行实测，获得实测的条纹对比度，通过干涉条纹对比度的变化计算待测高反射镜的反射率值，可以实现待测高反射镜反射率的溯源，实现高反射率的高精度测量。
附图说明
图1是本发明测量装置的空侧时的原理示意图。
图2是本发明测量装置的实测时的原理示意图。
图3是干涉条纹示例，(a)图为空测时的干涉条纹，(b)图为实测时的干涉条纹。
附图标记说明：
1-光纤点源；2-准直镜；3-分光棱镜；4-反射镜；5-第一自准反射镜；6-第二自准反射镜；7-待测反射镜；8-CCD相机；9-旋转载物台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的激光光学元件高反射率测量装置，包括光纤点源1、准直镜2、分光棱镜3、反射镜4、第一自准反射镜5、第二自准反射镜6、CCD相机8和旋转载物台9。
光纤点源1、准直镜2、分光棱镜3和反射镜4沿光路依次设置；第一自准反射镜5设置在反射镜4的反射光路上；旋转载物台9设置在准直镜2的输出光束经分光棱镜3反射后的反射光路上，第二自准反射镜6位于旋转载物台9上；旋转载物台9上还用于设置待测反射镜7；CCD相机8设置在待测反射镜7或第二自准反射镜6输出光束经分光棱镜3透射后的透射光路上；
光纤点源1的芯径小于准直镜2的衍射艾利斑，以产生光束质量理想的光束；光纤点源1和准直镜2配合形成光束质量衍射极限的输出光束；
如图1所示，空测时，分光棱镜3对准直镜2的输出光束进行分束(本实施例中分束比为1：1)，形成测量光束(即分光棱镜3的反射光束，图1中为竖直方向)和参考光束(即分光棱镜3的透射光束，图1中为水平方向)，测量光束和参考光束分别经过第二自准反射镜6和第一自准直反射镜5反射后的光束再次经过分光棱镜3，然后在CCD相机8靶面上形成双光束干涉，其干涉结构形式为迈克逊干涉仪形式；
如图2所示，实测时，将待测反射镜7置于旋转载物台9上，调节旋转载物台9形成需要的入射角度，此时第二自准反射镜6也位于旋转载物台9上，测量光束经待测反射镜7反射后，再在第二自准反射镜6上自准返回，和参考光束在CCD相机8靶面上形成实测双光束干涉。
本发明中，反射镜4采用不镀膜的裸板玻璃，其目的在于使参与干涉的两束光强度比例大；第一自准反射镜5和第二自准反射镜6具体可以采用材料、加工方式完全相同的裸板玻璃，或者可以采用材料、加工方式及镀膜完全相同的反射镜(采用同一设备同次镀膜的反射镜)，目的是保证参考反射率的一致性；CCD相机8采用大动态范围的制冷型CCD相机，噪声小以提高测量精度。
本发明的原理是：
参照图1，空测时参考光束和测量光束的强度分别为I0和I1，假设光源的入射强度为I，分光棱镜3的反射率为K，则其透过率为1-K，反射镜4的反射率为ρ4(根据菲涅耳定律由材料和入射角度可唯一确定)，第一自准反射镜5、第二自准反射镜6的反射率分别为ρ5、ρ6(本实施例中ρ5＝ρ6)，此时参与干涉的参考光束的强度为：
Figure GDA0003173587990000051
测量光束的强度为：
I1＝I×K×(1-K)×ρ6 (2)
空测时CCD相机靶面8上干涉条纹的对比度为(设
Figure GDA0003173587990000052
)：
Figure GDA0003173587990000053
干涉条纹如图3中(a)图所示，其中Imax、Imin为条纹图像中的强度最大值和最小值。
参照图2，当在强度为I1的测量光束中加入反射率为ρ的待测反射镜7后，参与干涉的两束光的光强分别为I0和I1×ρ2，此时CCD相机8靶面上干涉条纹的对比度为：
Figure GDA0003173587990000054
干涉条纹如图3中(b)图所示，其中I′max、I′min为条纹图像中的强度最大值和最小值。
将(3)式、(4)式相除，并将(1)、(2)式代入有：
Figure GDA0003173587990000055
式(5)表明通过求解空测和实测时干涉条纹图的对比度v及v′即可计算得到待测反射镜7的反射率，并且该式(5)与光源强度无关，即不受光源功率波动的影响；同时由于反射镜4的反射率ρ4由菲涅耳定律能够精确确定，因此本发明的测量方式可以实现待测反射镜7反射率的溯源。
进一步，对(3)式求微分得：
Figure GDA0003173587990000061
当在强度为I1的测量光束中加入反射率为ρ的待测反射镜7后，等效于ρ6改变为ρ6×ρ2，则：
dk≈k×(1-ρ2) (7)
将(7)式代入(6)式有：
Figure GDA0003173587990000062
当1-ρ2一定时，
Figure GDA0003173587990000063
的取值应使
Figure GDA0003173587990000064
尽可能的大，即实测、空测干涉条纹的I′max、I′min较Imax、Imin变化大，这样利于干涉测量(否则条纹的改变量受CCD相机8的噪声影响大)，使
Figure GDA0003173587990000065
最大的值即为k的最佳值；k的取值范围为[0,∞]，则函数
Figure GDA0003173587990000066
的取值范围为
Figure GDA0003173587990000067
因此取使
Figure GDA0003173587990000068
或
Figure GDA0003173587990000069
的k＝∞或0，实际情况对应两干涉光束的分光比尽可能的差异大，本发明中反射镜4的加入目的即在于此，参考光束在反射镜4上两次反射引入的反射率差异在500倍量级(等效k≈1/500)，因此本发明的设计有利于获得高的测量精度。

Claims (1)

1.一种激光光学元件高反射率测量方法，其特征在于：
其采用了一种激光光学元件高反射率测量装置，所述装置包括沿光路依次设置的光纤点源(1)、准直镜(2)、分光棱镜(3)和反射镜(4)；在反射镜(4)的反射光路上设置有第一自准反射镜(5)；准直镜(2)的输出光束经分光棱镜(3)反射后的反射光路上设置有旋转载物台(9)；旋转载物台(9)上设置有第二自准反射镜(6)，通过调整旋转载物台(9)可以使第二自准反射镜(6)切入/切出光路；旋转载物台(9)还用于设置待测反射镜(7)；在待测反射镜(7)或第二自准反射镜(6)输出光束经分光棱镜(3)透射后的透射光路上设置有CCD相机(8)；第一自准反射镜(5)和第二自准反射镜(6)的反射率相等；
所述光纤点源(1)的芯径小于准直镜(2)的衍射艾利斑；
所述反射镜(4)采用不镀膜的裸板玻璃；
所述第一自准反射镜(5)、第二自准反射镜(6)采用材料、加工方式完全相同的裸板玻璃；
所述第一自准反射镜(5)、第二自准反射镜(6)采用材料、加工方式及镀膜完全相同的反射镜；
所述CCD相机(8)采用大动态制冷型CCD相机；
所述激光光学元件高反射率测量 方法，包括以下步骤：
步骤1：空测
1.1)调整旋转载物台(9)将第二自准反射镜(6)切入分光棱镜(3)的反射光路中；
1.2)利用CCD相机(8)获取双光束干涉条纹；
1.3)计算双光束干涉条纹的对比度v：
Figure FDA0003173587980000011
其中，
I为光源的入射强度；
I0为空测时参考光束的强度，
Figure FDA0003173587980000021
I1为空测时测量光束的强度，I1＝I×K×(1-K)×ρ6；
K为分光棱镜(3)的反射率；
ρ4、ρ5、ρ6分别为反射镜(4)、第一自准反射镜(5)和第二自准反射镜(6)的反射率；
Figure FDA0003173587980000022
Imax、Imin分别为步骤1.2)得到的干涉条纹图像中的强度最大值和最小值；
步骤2：实测
2.1)将待测反射镜(7)置于旋转载物台(9)上，并使其位于分光棱镜(3)的反射光路中，调整旋转载物台(9)使第二自准反射镜(6)位于待测反射镜(7)的反射光路上；
2.2)利用CCD相机(8)获取双光束干涉条纹；
2.3)计算双光束干涉条纹的对比度v′：
Figure FDA0003173587980000023
其中，
ρ为待测反射镜(7)的反射率；
I′max、I′min分别为步骤2.2)得到的干涉条纹图像中的强度最大值和最小值；
步骤3：计算待测反射镜(7)的反射率ρ
将步骤1.3)与步骤2.3)中的公式相除，并将I0、I1的计算公式代入，得
Figure FDA0003173587980000024
利用该式即可求解待测反射镜(7)的反射率ρ。
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