CN113776786A - 一种透过率和反射率测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透过率或反射率测量仪及其测量方法，解决现有光学元件透过率或反射率测试方法，只适用于高反或高透光学元件，探测器误差和光源稳定性对测量结果影响较大的问题。测量仪包括激光光源、设在激光光源出射光路上起偏器和分光镜、旋转单元、第一探测器、第二探测器和信号单元；衰减轮盘、第一探测器依次位于分光镜反射光路上；旋转单元包括定距转轴、二维扫描机构和环形滑轨；定距转轴位于分光镜透射光路上；二维扫描机构设在定距转轴上，用于安装被测光学元件；环形滑轨与定距转轴同轴并设在定距转轴外侧；第二探测器能够在环形滑轨上移动；信号单元控制第一探测器和第二探测器同步采集光信号及采集第一探测器和第二探测器的光信号。

Description

一种透过率和反射率测量仪及其测量方法

技术领域

本发明属于激光领域，涉及光学元件透过率或反射率测量技术，具体涉及一种大口径平面类激光光学元件的透过率或反射率测量仪及其测量方法。

背景技术

激光已被广泛应用在各个领域，如激光加工、高密度全息存储、惯性约束聚变、生物医疗等，平面类光学元件作为一种可改变光路方向和激光偏振度的光学元件，广泛地应用在激光系统中，在特定工作角度下，其透过率或反射率是衡量激光光学元件是否达到设计要求的一项重要指标，因此精确测量其透过率或反射率十分重要。

传统对光学元件透过率或反射率的测试方法有光腔衰荡法、分光光度法和激光比率法。其中，光腔衰荡法是通过测量稳定的初始腔和测量腔的衰荡时间，获取腔镜反射率和样品反射率，该方法测试精度较高，但只适合测试反射率或透射率99％以上的激光光学元件。分光光度法是通过斩波器实现双光路测量，本质上为单个探测器分时测量，该方法对于低反射率或低透射率光学元件，探测器的线性动态范围要足够大，其线性度误差和测试光源稳定性对测量结果的影响较大。激光比率法也是通过斩波器与单探测器组合，实现双光路分时测量，测量对象也为高反或高透光学元件。

发明内容

为了解决现有对光学元件透过率或反射率的测试方法，只适用于高反或高透光学元件，以及探测器线性度误差和测试光源稳定性对测量结果影响较大的技术问题，本发明提供了一种透过率或反射率测量仪及其测量方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种透过率和反射率测量仪，其特殊之处在于：包括激光光源、起偏器、分光镜、旋转单元、第一探测器、第二探测器和信号单元；

所述起偏器和分光镜依次设置在激光光源的出射光路上；

所述第一探测器位于分光镜的反射光路上，衰减轮盘位于分光镜和第一探测器之间，其包括可旋转的轮盘和设置在轮盘上的多个衰减片，各个衰减片的衰减率不相同，每个衰减片均能够旋转至分光镜的反射光路上；

所述旋转单元包括定距转轴、二维扫描机构和环形滑轨；定距转轴位于分光镜的透射光路上，且定距转轴的轴线与分光镜的透射光轴垂直相交；二维扫描机构设置在定距转轴上，且能够绕定距转轴旋转；二维扫描机构用于安装被测光学元件，且定距转轴的轴线过被测光学元件的迎光面；环形滑轨与定距转轴同轴并设置在定距转轴的外侧；

所述第二探测器能够在环形滑轨上移动；

所述信号单元包括信号发生器和信号采集处理系统，信号发生器用于控制第一探测器和第二探测器同步采集光信号，信号采集处理系统用于采集第一探测器和第二探测器的光信号，获取被测光学元件的透过率或反射率。

进一步地，还包括位于分光镜和定距转轴之间的0°反射附件，所述第二探测器移至0°反射附件的后反射光路上，用于实现被测光学元件工作在小角度时的反射率测量。

进一步地，所述0°反射附件为分光棱镜。

进一步地，还包括设置在激光光源、起偏器、分光镜、旋转单元、第一探测器、第二探测器外侧的仪器罩，用于防止外界杂散光对测量的影响。

同时，本发明还提供了一种采用上述透过率或反射率测量仪的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)安装

将被测光学元件安装在二维扫描机构上，且被测光学元件的迎光面位于分光镜的透射光路上，并调整二维扫描机构使被测光学元件迎光面与分光镜之间的角度处于工作角度；

2)调节第二探测器位置

当进行透射率测量时，沿环形滑轨滑动第二探测器，使其接收经被测光学元件后的透射光；

当进行反射率测量时，沿环形滑轨滑动第二探测器，使其接收经被测光学元件后的反射光；

3)测量

信号发生器产生同步信号控制第一探测器和第二探测器同步采集光信号，信号采集处理系统采集第一探测器和第二探测器的光信号，处理后获取被测光学元件的透过率或反射率。

进一步地，步骤2)中，当进行反射率测量，且反射角≤5°时，在分光镜和定距转轴之间插入一个0°反射附件，并将第二探测器移至0°反射附件的后反射光路上；

分光镜透射的光束经0°反射附件透射后入射至被测光学元件的迎光面，被测光学元件反射回的光束经0°反射附件反射后，被第二探测器接收。

进一步地，步骤1)中，若被测光学元件的口径大于测试光束口径时，将被测光学元件分为多个子孔径，通过二维扫描机构分别使多个子孔径处于分光镜的透射光路上；

通过步骤2)和步骤3)的方法逐个对子孔径测量，获得各个子孔径的透过率或反射率，对所有子孔径的透过率、反射率分别求平均值，获得被测光学元件的透过率或反射率。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明利用双光路测量原理，采用双探测器(第一探测器和第二探测器)采集光信号，并且利用信号发生器使两个探测器同步采集光信号，降低测量光源稳定性对测量结果的影响，提高测量的准确性；并结合衰减轮盘(衰减轮盘包括多个衰减率不相同的衰减片)，增大了透过率或反射率测量仪的测量量程。

2、本发明采用二维扫描机构安装被测光学元件，在被测光学元件的口径过大时，将被测光学元件分为多个子孔径，通过二维扫描机构驱动被测光学元件二维平移，分别使多个子孔径处于测试光束的透射光路上，获得各个子孔径的透过率或反射率，最终实现对大口径光学元件透过率或反射率的测量。

3、本发明被测光学元件通过二维扫描机构固定在定距转轴上，避免经被测光学元件的反射光横向偏移，影响测量结果的准确性。

4、本发明测量仪包括一个可插入分光镜和定距转轴之间的0°反射附件，并使第二探测器处于0°反射附件的后反射光路上，可实现对光学元件小角度(5°及以下)反射率的测量。

附图说明

图1是本发明透过率和反射率测量仪的结构示意图一；

图2是本发明透过率和反射率测量仪的结构示意图二(示意出0°反射附件)；

其中，附图标记如下：

1-激光光源，2-起偏器，3-分光镜，4-衰减轮盘，41-轮盘，42-衰减片，5-第一探测器，6-定距转轴，7-二维扫描机构，8-被测光学元件，9-环形滑轨，10-第二探测器，11-信号发生器，12-信号采集处理系统，13-仪器罩，14-0°反射附件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种大口径光学元件透过率和反射率测量仪，包括激光光源1、起偏器2、分光镜3、旋转单元、第一探测器5、第二探测器10和信号单元。

起偏器2和分光镜3依次设置在激光光源1的出射光路上；

第一探测器5位于分光镜3的反射光路上，衰减轮盘4位于分光镜3和第一探测器5之间；

旋转单元包括定距转轴6、二维扫描机构7和环形滑轨9；定距转轴6位于分光镜3的透射光路上，且定距转轴6的轴线与分光镜3的透射光轴垂直相交；二维扫描机构7用于安装被测光学元件8，被测光学元件8与二维扫描机构7为刚性连接，二维扫描机构7设置在定距转轴6上，且能够绕定距转轴6旋转；定距转轴6的轴线过被测光学元件8的迎光面，二维扫描机构7将被测光学元件8旋转至工作角度；环形滑轨9与定距转轴6同轴并设置在定距转轴6的外侧；第二探测器10能够在环形滑轨9上移动。

信号单元包括信号发生器11和信号采集处理系统12，信号发生器11与第一探测器5和第二探测器10分别连接，信号采集处理系统与第一探测器5和第二探测器10分别连接。

本实施例测量仪的测量过程：

1)安装

将被测光学元件8安装在二维扫描机构7上，且被测光学元件8的迎光面位于分光镜3的透射光路上，并调整二维扫描机构7使被测光学元件8迎光面与分光镜3之间的角度满足要求，即将被测光学元件8处于工作角度；

2)调节第二探测器10位置

由激光光源1输出激光束(测量光)，根据测试要求插入起偏器2使激光光源1输出特定的偏振态，分光镜3将激光束分为两路，反射光经过衰减轮盘4后被第一探测器5接收，透射光注入到被测光学元件8；

当进行透射率测量时，沿环形滑轨9滑动第二探测器10，使其接收经被测光学元件8后的透射光；

当进行反射率测量时，沿环形滑轨9滑动第二探测器10，使其接收经被测光学元件8的反射光；

3)测量

由信号发生器11产生同步信号控制第一探测器5和第二探测器10同步采集光信号，信号采集处理系统12采集第一探测器5和第二探测器10的光信号，并进行处理后获取被测光学元件8的透过率或反射率。

当被测光学元件8口径大于测试光束口径时，将被测光学元件8分为多个子孔径，通过二维扫描机构7使被测光学元件8二维平移，移动步长为测试光束口径大小，使多个子孔径分别处于分光镜3的透射光路上，逐个对子孔径测量，获得各个子孔径的透过率或反射率，然后对所有子孔径的透过率、反射率的数值分别进行加权平均，最终获得被测光学元件8的透过率或反射率。

本实施例通过两个探测器同步实时测试激光输出强度与经光学元件透射或反射的激光强度，扫描测量被测光学元件8子孔径，实现对大口径平面类光学元件透过率或反射率的高精度测量。

本实施例测量仪在进行被测光学元件8小角度反射测量时，如图2所示，将一个0°反射附件14插入分光镜3和定距转轴6之间，并将第二探测器10移至0°反射附件14的后反射光路上，本实施例第二探测器10通过手动移至0°反射附件14的后反射光路上，分光镜3透射的光束经0°反射附件14透射后入射至被测光学元件8的迎光面，然后依次经被测光学元件8的迎光面和0°反射附件14反射后，被第二探测器10接收，进行反射率测量。本实施例0°反射附件14采用分光棱镜。

本实施例衰减轮盘4包括可旋转的轮盘41和设置在轮盘41上的多个衰减片42，各个衰减片42的衰减率不相同，每个衰减片42均能够旋转至分光镜3的反射光路上，各个衰减片42的衰减率根据测量要求提前标定获取；分光镜3和0°反射附件14的分光比也根据测量要求提前标定给出。

本实施例测量仪还包括设置在激光光源1、起偏器2、分光镜3、旋转单元、第一探测器5、第二探测器10外侧的仪器罩13，用于防止外界杂散光对测量的影响。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (7)

1.一种透过率和反射率测量仪，其特征在于：包括激光光源(1)、起偏器(2)、分光镜(3)、旋转单元、第一探测器(5)、第二探测器(10)和信号单元；

所述起偏器(2)和分光镜(3)依次设置在激光光源(1)的出射光路上；

所述第一探测器(5)位于分光镜(3)的反射光路上，衰减轮盘(4)位于分光镜(3)和第一探测器(5)之间，其包括可旋转的轮盘(41)和设置在轮盘(41)上的多个衰减片(42)，各个衰减片(42)的衰减率不相同，每个衰减片(42)均能够旋转至分光镜(3)的反射光路上；

所述旋转单元包括定距转轴(6)、二维扫描机构(7)和环形滑轨(9)；定距转轴(6)位于分光镜(3)的透射光路上，且定距转轴(6)的轴线与分光镜(3)的透射光轴垂直相交；二维扫描机构(7)设置在定距转轴(6)上，且能够绕定距转轴(6)旋转；二维扫描机构(7)用于安装被测光学元件(8)，且定距转轴(6)的轴线过被测光学元件(8)的迎光面；环形滑轨(9)与定距转轴(6)同轴并设置在定距转轴(6)的外侧；

所述第二探测器(10)能够在环形滑轨(9)上移动；

所述信号单元包括信号发生器(11)和信号采集处理系统(12)，信号发生器(11)用于控制第一探测器(5)和第二探测器(10)同步采集光信号，信号采集处理系统(12)用于采集第一探测器(5)和第二探测器(10)的光信号，获取被测光学元件(8)的透过率或反射率。

2.根据权利要求1所述透过率和反射率测量仪，其特征在于：还包括位于分光镜(3)和定距转轴(6)之间的0°反射附件(14)，所述第二探测器(10)移至0°反射附件(14)的后反射光路上，用于实现被测光学元件(8)小角度时的反射率测量。

3.根据权利要求2所述透过率和反射率测量仪，其特征在于：所述0°反射附件(14)为分光棱镜。

4.根据权利要求1至3任一所述透过率和反射率测量仪，其特征在于：还包括设置在激光光源(1)、起偏器(2)、分光镜(3)、旋转单元、第一探测器(5)、第二探测器(10)外侧的仪器罩(13)。

5.采用权利要求1所述透过率和反射率测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)安装

将被测光学元件(8)安装在二维扫描机构(7)上，且被测光学元件(8)的迎光面位于分光镜(3)的透射光路上，并调整二维扫描机构(7)使被测光学元件(8)迎光面与分光镜(3)之间的角度处于工作角度；

2)调节第二探测器(10)位置

当进行透射率测量时，沿环形滑轨(9)滑动第二探测器(10)，使其接收经被测光学元件(8)后的透射光；

当进行反射率测量时，沿环形滑轨(9)滑动第二探测器(10)，使其接收经被测光学元件(8)后的反射光；

3)测量

信号发生器(11)产生同步信号控制第一探测器(5)和第二探测器(10)同步采集光信号，信号采集处理系统(12)采集第一探测器(5)和第二探测器(10)的光信号，处理后获取被测光学元件(8)的透过率或反射率。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：步骤2)中，当进行反射率测量，且反射角≤5°时，在分光镜(3)和定距转轴(6)之间插入一个0°反射附件(14)，并将第二探测器(10)移至0°反射附件(14)的后反射光路上；

分光镜(3)透射的光束经0°反射附件(14)透射后入射至被测光学元件(8)的迎光面，被测光学元件(8)反射回的光束经0°反射附件(14)反射后，被第二探测器(10)接收。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：

步骤1)中，若被测光学元件(8)的口径大于测试光束口径时，将被测光学元件(8)分为多个子孔径，通过二维扫描机构(7)分别使多个子孔径处于测试光束的透射光路上；

通过步骤2)和步骤3)的方法逐个对子孔径测量，获得各个子孔径的透过率或反射率，对所有子孔径的透过率、反射率分别求平均值，获得被测光学元件(8)的透过率或反射率。

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