CN113310902A - 一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，利用自适应光学光束控制技术主动干预衰荡腔内运行模式，有效保证衰荡腔内基横模的模式耦合效率，实现主动横模匹配。该主动横模匹配方式能有效保证光腔衰荡技术的测量精度和稳定性。同时在膜系参数测量应用中，本方法允许使用扩束光束一次性获取待测膜系大口径内的平均结果，相比于传统点测量的方式，可增加测量口径，减少点测量选取位置随机性引起的误差，获得更接近膜系实际工作状态的测量结果。

Description

一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法
技术领域
本发明涉及光腔衰荡技术领域，具体涉及一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，有助于光腔衰荡技术的测量精度和测量稳定性。
背景技术
光腔衰荡技术是一种基于高精细度谐振腔的探测技术，目前已成功应用于痕量气体检测，吸收光谱测量和高反射率测量等领域。(D.Romanini,A.A.Kachanov,J.Morville,M.Chenevier,“Measurement of trace gases by diode laser cavity ringdownspectroscopy”,Proc of SPIE,1999,3821：94～104；李斌成，龚元；光腔衰荡高反射率测量技术综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203)
对于光腔衰荡技术而言，模式失配是主要的测量误差来源(B.A.Paldus,A.A.Kachanov,“An historical overview of cavity-enhanced method”,CanadianJournal of Physics,2005,83:975-999；谭中奇,龙兴武,模式失配对连续波光腔衰荡技术测量的影响,中国激光,2007,34(7):962-966；薛颖，杜星湖，何星等，基于透射光斑形态监测的光腔衰荡调腔方法,中国激光,2020,47(5):0504001)，有效克服模式失配，尤其对于谐振腔调节误差或者入射光束光场分布导致的横模失配，是保证光腔衰荡测量精度与测量稳定性的关键。针对横模失配，目前报道中仅见采用匹配透镜组或匹配球面反射镜组的解决方式(S.Shadman,C.Rose,A.P.Yalin,Open-path cavity ring-down spectroscopysensor for atmospheric ammonia,Applied Physics B:Lasers and Optics,2016,122:194；C.Hovde,A.L.Gomez,Phase-shift feedback cavity ring-down spectroscopy,Applied Optics,2015,54(17):5555-5559)。这些方式只适合特定输入模式和特定谐振腔结构的横模匹配，一旦谐振腔参数改变，匹配镜组将产生失调甚至失效。在光腔衰荡测量过程中，目前的人工调腔方式使谐振腔调节误差具有随机性、会大概率导致腔内复杂的高阶模式激发。高阶模式激发会直接影响谐振腔透射光腔的衰减规律，从而引起系统测量精度发生明显退化(H.Huang,K.K.Lehmann,Noise in cavity ring-down spectroscopycaused by transverse mode coupling,Optics Express,2007,15:8745-8759)。通过前期实验研究发现，高阶横模激发情况下的腔损耗测量值可发生2％～7％的相对变化(数十到上百ppm)，极不利于光腔衰荡技术的精密测量。有鉴于此，在光腔衰荡技术中，控制谐振腔内运行模式，对于保证光腔衰荡技术的测量精度和测量稳定性至关重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：光腔衰荡技术中，横模失配会造成测量精度与测量稳定性下降。而目前针对横模失配的解决方案均只适合特定输入模式和特定谐振腔结构的横模匹配，效率较低，且无法自动实现横模失调复原，难以克服由模式失配导致的测量精度和稳定性退化问题。针对这一问题，本发明提出基于自适应光学光束控制技术的主动横模匹配方法，确保光腔衰荡技术测量过程中的横模匹配效率，保证测量精度和测量稳定性。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，利用自适应光学波前校正器件对入射激光光束相位进行调制，补偿腔参数失调、横模失配等导致的等效像差因素，有效保证光腔衰荡技术的测量精度和稳定性。
具体实现步骤如下：
步骤(1)、建立光腔衰荡测量装置，测量装置由激光光源模块、主动横模匹配模块、衰荡腔模块及信号采集与处理模块四部分构成。其中，信号采集与处理模块中包含高速光电探测器和波前探测器，分别记录光腔衰荡信号和衰荡腔透射光束相位信息；激光光源模块包含激光光源和指示光源，激光光源和指示光源分别由分光镜M4、反射镜M5配合实现同轴输出；依次经变形镜和调节反射镜M6注入衰荡腔内，或者依次经扩束装置、变形镜和调节反射镜M6注入衰荡腔内，衰荡腔由腔镜M1、M2和M3构成，衰荡腔内形成振荡信号后，M1输出信号由光电探测器接收，用于记录衰荡光强信息，M2输出信号由波前探测器接收，用于记录透射光束相位信息。
激光光源模块中可包含扩束系统，扩束系统扩束比γ≤Фm/Фi，其中，Фm为衰荡腔中腔镜直径，Фi为激光光束直径。
主动横模匹配模块核心器件为自适应光学波前控制器件，如变形反射镜、倾斜镜等。主动横模匹配模块可置于衰荡腔内进行腔内自适应光学光束控制，也可置于衰荡腔外进行腔外自适应光学光束控制。
步骤(2)、标定主动横模匹配模块，确定基横模基准；
步骤(3)、以透射光斑模式作为控制反馈进行自适应光学主动横模匹配控制，确保光腔衰荡系统测量全过程始终保持基横模运行。
其中的控制反馈可以采用通过数字图像处理相关手段(如模板匹配、特征匹配等)分析透射光斑近场、远场形态得出的透射光斑模式，也可以采用自适应光学光束控制的典型评价指标(如远场光斑β值)。
本发明的原理是：本发明涉及方法利用自适应光学光束控制技术对衰荡腔入射激光光束相位进行主动调制，保证横模匹配效率。在光腔衰荡测量装置中加入基于自适应光学光束控制技术的主动横模匹配模块，以透射光斑模式作为控制反馈进行自适应光学主动横模匹配控制，确保光腔衰荡系统测量全过程始终保持基横模运行。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明涉及的技术通过对入射光束进行相位调制，提高横模匹配精度，有效保证光腔衰荡技术的测量精度和稳定性。现有技术大多采用多点抽样测量的方式，本技术允许使用扩束光束一次性获取待测样片大口径内的平均测量结果，相比于传统点测量的方式，可提升测量口径，缩短测量时间，并减少点测量选取位置随机性引起的误差，获得更接近膜系工作状态的测量结果。
附图说明
图1为一种基于外腔式自适应光学主动横模匹配的“V”型衰荡腔结构示意图；
图2为基于外腔式自适应光学主动横模匹配的“V”型衰荡腔的模式匹配实验结果；
图3为一种带扩束装置的外腔式自适应光学主动横模匹配“V”型衰荡腔结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，具体实施步骤如下：
步骤(1)、建立光腔衰荡测量装置，测量装置包括激光光源模块、主动横模匹配模块、衰荡腔模块及信号采集与处理模块等四部分构成。其中，信号采集与处理模块中包含高速光电探测器和远场传感器，分别记录光腔衰荡信号和衰荡腔透射光斑形态；激光光源模块包含激光光源和指示光源，激光光源和指示光源分别由分光镜M4、反射镜M5配合实现同轴输出；输出光依次经变形镜和调节反射镜M6注入衰荡腔内，衰荡腔由腔镜M1、M2和M3构成，衰荡腔内形成振荡信号后，M1输出信号由光电探测器接收，用于记录衰荡光强信息，具体的，M1输出信号经过聚焦透镜后由高速光电探测器接收；M2输出信号由波前探测器接收，用于记录透射光束相位信息。
其中腔镜M1、M2为凹面反射镜，凹面曲率半径均为1m，M3为平面反射镜。腔长为0.8m，满足稳定腔条件。激光光源注入衰荡腔内，注入光束与衰荡腔光轴同轴。腔镜M1的透射光束由高速光电探测器接受、腔镜M2的透射光束由远场传感器接受。高速光电探测器和远场传感器采集的信号由采集卡采集输入到计算机(PC)进行分析。本实施例中，采用的激光光源波长为1064nm，因此引入辅助调节的可见信标光源(532nm绿光)。主动横模匹配模块采用了变形镜，通过变形镜产生离焦、小幅倾斜等像差补偿波面，调节激光光束注入衰荡腔的相位，提高激光光束与衰荡腔之间的横模匹配效率。
步骤(2)、精调衰荡腔，使衰荡腔输出基横模，对远场传感器进行标定。具体标定信息包括基横模光斑大小和质心位置；
步骤(3)、以远场传感器记录的透射光斑模式作为控制反馈进行自适应光学主动横模匹配控制，确保光腔衰荡系统测量全过程始终保持基横模运行。判断依据为输出光斑基本保持与标定光斑同等尺寸维度和基本相同的质心位置。
如图2所示，实验发现，引入一定的离焦和倾斜相位补偿，衰荡腔透射光斑形态可由TEM01模变为基横模，腔损耗可由1601±34ppm减小到1559±12ppm。初步实验结果表明，腔外相位补偿可调制腔内运行模式，有望改善测量精度。
如图3所示，必要时，输出光依次经扩束装置、变形镜和调节反射镜M6注入衰荡腔内。通过单次测量即可实现一定光斑面积内的平均反射率高效获取。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、建立光腔衰荡测量装置，测量装置由激光光源模块、主动横模匹配模块、衰荡腔模块及信号采集与处理模块四部分构成，其中，信号采集与处理模块中包含高速光电探测器和波前探测器，分别记录光腔衰荡信号和衰荡腔透射光束相位信息；激光光源模块包含激光光源和指示光源，激光光源和指示光源分别由分光镜M4、反射镜M5配合实现同轴输出；依次经变形镜和调节反射镜M6注入衰荡腔内，或者依次经扩束装置、变形镜和调节反射镜M6注入衰荡腔内，衰荡腔由腔镜M1、M2和M3构成，衰荡腔内形成振荡信号后，M1输出信号由光电探测器接收，用于记录衰荡光强信息，M2输出信号由波前探测器接收，用于记录透射光束相位信息；其中腔镜M1、M2为凹面反射镜，凹面曲率半径均为1m，M3为平面反射镜，衰荡腔的腔长为0.8m，满足稳定腔条件，激光光源注入衰荡腔内，注入光束与衰荡腔光轴同轴；
步骤(2)、标定主动横模匹配模块，确定基横模基准；
步骤(3)、搭建衰荡腔，以透射光束相位信息作为控制反馈进行自适应光学主动横模匹配控制，确保光腔衰荡系统测量全过程始终保持基横模运行。
2.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，其特征在于：步骤(1)所述激光光源模块中可包含扩束系统，扩束系统扩束比γ≤Фm/Фi，其中，Фm为衰荡腔中腔镜直径，Фi为激光光束直径。
3.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，其特征在于：步骤(1)所述的主动横模匹配模块核心器件为自适应光学波前控制器件，包括变形反射镜、倾斜镜。
4.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，其特征在于：步骤(1)所述的主动横模匹配模块在测量装置中可置于衰荡腔内，采用腔内自适应光学光束控制技术；也可置于衰荡腔外，采用腔外自适应光学光束控制技术。
5.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，其特征在于：步骤(3)所述的控制反馈，可以采用通过模板匹配、特征匹配的数字图像处理相关手段分析透射光斑近场、远场形态得出的透射光斑模式，也可以采用自适应光学光束控制的典型评价指标，包括远场光斑β值、波前残差RMS。
6.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡自适应光学主动横模匹配方法，其特征在于：腔镜M1的透射光束由高速光电探测器接受、腔镜M2的透射光束由远场传感器接收，高速光电探测器和远场传感器采集的信号由采集卡采集输入到计算机(PC)进行分析。
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