CN113916512A - 一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光栅微纳技术领域，公开了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置与方法，装置包括宽带激光器，半波片，偏振分光棱镜，四分之一波片，扩束透镜组和体光栅固定夹具和光功率计；体光栅固定夹具用于设置待测体光栅；宽带激光器发出的光经半波片、偏振分光棱镜后一部分光入射至四分之一波片，经四分之一波片变成圆偏振光后、经扩束透镜组入射至待测体光栅；待测体光栅反射的光经扩束透镜组、四分之一波片、偏振分光棱镜后被光功率计接收。本发明利用偏振分光棱镜和相位波片进行大面积体布拉格光栅的反射率测试，结构简单、操作方便，对于应用于高温高压等恶劣环境的基于法布里‑珀罗腔的光栅传感器的优化设计具有重要意义。

Description

一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置与方法

技术领域

本发明属于光栅微纳技术领域，具体涉及一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置与方法，用于对飞秒激光直写大面积体布拉格光栅进行反射率测试。

背景技术

布拉格光栅传感器相比于传统的应变传感器有很多特有的优势，如测量精度高、耐腐蚀性强、能量损耗低、尺寸小和安全性高等。随着基于光纤布拉格光栅的研究不断深入，传统的电传感器已被逐渐取代。体布拉格光栅是相较于光纤布拉格光栅提出的新技术，作为一种新型的光栅，具有良好的物理特性，广泛应用于内腔式激光器模式选择的反射型布拉格光栅。此外，针对航空航天火箭发动机燃烧室内高温高压等恶劣环境下镀膜式法布里-珀罗腔传感器在高温环境下热应力失配导致器件开裂、失效以及反射膜脱落等问题，在耐高温法布里-珀罗腔内制备大面积体光栅代替高反射率介质膜，构成同质材料的一体化结构，成为解决基于法布里-珀罗腔传感结构耐高温的一种有效方案。而体布拉格光栅反射率的精确测试对于基于光栅的内腔式激光器设计和耐高温法布里-珀罗腔传感结构的测试带宽与灵敏度优化设计具有重要的意义。

传统的光栅反射率测试方法大多基于光纤布拉格光栅，虽然利用光纤环形器直接连接刻有光栅的光纤的测试方法比较简单，但是很难直接用于测试大面积的体布拉格光栅。原因是：由于经过大面积体布拉格光栅的反射光场耦合到光纤时仅对单模光场耦合效率高，对于多模光场耦合效率极低，而且对光栅端面的平整度要求非常高，这些因素极大地限制了传统测试方法在大面积体光栅测试方面的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光纤布拉格光栅反射率测试方案难以检测大面积体布拉格光栅的反射率的问题，提出了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置与方法，其基于偏振分光原理对大面积体布拉格光栅进行反射率测试，测量方法简单，精度高。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，包括宽带激光器，半波片，偏振分光棱镜，四分之一波片，扩束透镜组和体光栅固定夹具和光功率计；所述体光栅固定夹具用于设置待测体光栅；

所述宽带激光器发出的光经半波片、偏振分光棱镜后一部分光入射至所述四分之一波片，经所述四分之一波片变成圆偏振光后、经扩束透镜组入射至所述待测体光栅；所述待测体光栅反射的光经扩束透镜组、四分之一波片、偏振分光棱镜后被所述光功率计接收。

所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，还包括计算单元，所述计算单元与所述光功率计的输出端连接，用于根据所述光功率计的测量值计算待测体光栅的反射率。

所述体光栅固定夹具设置在二维调节架上。

所述宽带激光器的输出端通过光纤与光纤准直器相连接，所述光纤准直器、半波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、扩束透镜组均固定在光学固定支架上。

此外，本发明还提供了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，采用所述的装置实现，包括以下步骤：

S101、测量光路的传输损耗L；

S102、将待测体光栅设置在体光栅固定夹具上；

S103、将功率计设置在第一位置，测量入射到功率计的功率，记为入射功率P_in；

S104、将功率计设置在第二位置，测量经待测体光栅反射后入射到功率计的功率，记为反射功率P_out；

S105、计算待测体光栅的反射率R，计算公式为：

。

所述步骤S1011中，光路的传输损耗L的测量方法为：

S1011、将零度平面反射镜设置在扩束透镜组与待测体光栅之间；

S1012、将功率计设置在第一位置，测量入射到功率计的功率，记为校准入射功率P_in’；

S1013、将功率计设置在第二位置，测量经零度平面反射镜反射后入射到功率计的功率，记为校准反射功率P_out’；

S1014、计算光路的传输损耗L，计算公式为：

；

其中，R₀表示零度平面反射镜（7）的反射率。

所述步骤S104中，反射功率P_out为多次测量的平均值。

所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，还包括以下步骤：

S100、旋转半波片，使通过偏振分光棱镜入射至所述四分之一波片的激光功率满足测量要求后固定角度；然后旋转所述四分之一波片使激光经过其后变成圆偏振光；

旋转所述四分之一波片使激光经过其后变成圆偏振光的具体方法为：

扩束透镜组与待测体光栅之间设置一反射镜，调整反射镜角度使入射光原路返回；

将功率计设置在第二位置，测量功率，旋转所述四分之一波片，直至功率计测量功率最大，即表示四分之一波片的角度调节到位。

此外，本发明还提供了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，采用所述的装置实现，包括以下步骤：

S201、将零度平面反射镜设置在扩束透镜组与待测体光栅之间，将功率计设置在第二位置；

S202、旋转四分之一波片，通过功率计测量反射光的功率，直至光功率计测量得到的功率最大，固定四分之一波片的角度并记录此时经零度平面反射镜反射后入射到功率计的功率，记为第一功率P₁；

S203、移开零度平面反射镜，使光入射到待测体光栅上，测量经待测体光栅反射后入射到功率计的功率，记为第二功率P₂；

S204、根据步骤S202和S203得到的第一功率P₁和第二功率P₂，计算待测体光栅（9）的反射率。

所述待测体光栅的反射率R计算公式为：

R= P₂/（P₁* R₀）；

其中，R₀表示零度平面反射镜的反射率。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明解决了经过光栅的反射光场耦合到光纤时存在耦合效率低、对光栅端面的平整度要求非常高等问题，可以测试传统光纤布拉格光栅反射率测试方法不方便测试的大面积体布拉格光栅，且计算方法简单，基本可以忽略光的传输损耗。本测试方法系统简单，利用空间光功率计探头测试输入和输出两个点的功率数据，再通过简单的运算就可以得出体光栅的反射率。此测试方法适用于大面积体布拉格光栅反射率测试，避免了采用传统方法测不了、测不准等问题，系统搭建成本低，整体系统原理简单，易于实现，极大地提高了体布拉格光栅反射率的测试精度与效率，节省了时间成本和经济成本，可以方便高效地测量多种光栅元件的反射率。本测试方法对于基于光栅的内腔式激光器设计和耐高温法布里-珀罗腔传感结构的测试带宽与灵敏度优化设计具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置的结构示意图；其中，带有箭头的实线为光路，点划线为电路连接线；

图中，1-宽带激光器，2-半波片，3-偏振分光棱镜，4-第一位置，5-四分之一波片，6-扩束透镜组，7-平面反射镜，8-体光栅固定夹具，9-待测体光栅，10-计算单元，11-第二位置。

图2为使用大面积体布拉格光栅的反射率测试装置进行反射率测试的流程图；

图3为本发明实施例中激光经过大面积光栅反射后得到的光谱信号图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，包括宽带激光器1，半波片2，偏振分光棱镜3，四分之一波片5，扩束透镜组6和体光栅固定夹具8和光功率计；所述体光栅固定夹具8用于设置待测体光栅9；所述宽带激光器1发出的光经半波片2、偏振分光棱镜3后一部分光入射至所述四分之一波片5，经所述四分之一波片5变成圆偏振光后，经扩束透镜组6入射至所述待测体光栅9；所述待测体光栅9反射的光经扩束透镜组6、四分之一波片5、偏振分光棱镜3后被所述光功率计接收。

具体地，本实施例的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，还包括计算单元10，所述计算单元与所述光功率计的输出端连接，用于根据所述光功率计的测量值计算待测体光栅9的反射率。

具体地，本实施例中，所述体光栅固定夹具8设置在二维调节架上。二维调节架使得体光栅基片的前后左右位置以及体光栅入射面的俯仰角均可以调节。具体地，所述宽带激光器1为超连续宽带激光器。

具体地，本实施例中，所述宽带激光器1的输出端通过光纤与光纤准直器相连接，所述光纤准直器、半波片2、偏振分光棱镜3、四分之一波片5、扩束透镜组6均固定在光学固定支架上。

具体地，本实施例的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置的搭建方法如下：

（一）光路搭建。

将宽带激光器1与光纤准直器相连接，将光纤准直器固定在光学固定支架上，再依次将半波片2、偏振分光棱镜3、四分之一波片5、扩束透镜组6固定在光学固定支架上，并将整个光路粗调到相同高度，然后将待测刻有大面积体光栅的基片放置在设置在二维调节上的体光栅固定夹具8上，使体光栅基片的前后左右位置以及体光栅入射面的俯仰角均可以调节。

（二）体光栅反射率测试系统的准直与调平。

利用可见光将系统中的半波片2、偏振分光棱镜3、四分之一波片5、扩束透镜组6和待测体光栅进行准直，并通过光标卡使通过每一个元件的光都打在固定的水平位置处。调节待测体光栅9基片的位置，使经过扩束透镜组6的激光束恰好入射到体光栅的端面。经过校准，整个系统的所有元件都处于水平准直的位置上。

（三）半波片与四分之一波片的相位角度调节。

打开宽带激光器1的开关，激光通过半波片2与偏振分光棱镜3，先将光功率计探头放置在偏振分光棱镜3之后，即第一位置，通过旋转半波片2的角度可以改变透过偏振分光棱镜3的光（即P偏振光）功率大小，避免光功率计饱和而被损坏。然后，移开光功率计探头4，并将其放置在光功率计探头11的位置，再旋转四分之一波片5使其波片轴与P偏振光的偏振方向成45度角，这样激光穿过四分之一波片5后将转变为完全圆偏振光，再经过体光栅9反射回来的圆偏振光再次经过该四分之一波片5后将完全转换成S偏振光，从偏振分光棱镜3的偏振分光膜表面完全反射出来，通过光功率计探头11测量其光功率。

具体地，图1仅示出了将偏振分光棱镜3的透射光作为测量光束入射到体光栅，测量经体光栅反射返回后，再经偏振分光棱镜3反射的光的功率来计算体光栅的反射率，但是，应强调的是，本实施例中，也可以将宽带激光器1和半波片2的位置与第二位置11对调，将偏振分光棱镜3的反射光作为测量光束入射到体光栅，测量经体光栅反射返回后，从偏振分光棱镜3透射后的光的功率来计算体光栅的反射率。

实施例二

本发明实施例二提供了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，采用图1所示的装置实现，如图2所示，本实施例中，具体测试时，通过法兰连接器将激光器输出光纤头与准直器光纤头连接起来，设置宽带激光器1输出激光的波长范围为1510-1630nm，输出激光功率稳定且小于5mW。测试前先将光功率计显示器10的显示数值清零，避免背景杂散光的影响。将光功率计探头4放置在偏振分光棱镜3之后，即第一位置，测量功率并记为校准入射功率P_in’，然后移开光功率计探头4，使激光通过四分之一波片和扩束透镜组6，使激光入射到镀有多层高反射率介质膜的零度平面反射镜7的端面。经过平面反射镜7原路反射回来的激光通过设置在第二位置11处的光功率计处测得，将测得的数据随机记录5组，取其平均值记为校准反射功率P_out’。

具体地，本实施例的反射率测试方法包括以下步骤：

S100、旋转半波片2，使通过偏振分光棱镜3入射至所述四分之一波片5的激光功率满足测量要求后固定角度；然后旋转所述四分之一波片5使激光经过其后变成圆偏振光。

其中，旋转所述四分之一波片5使激光经过其后变成圆偏振光的具体方法为：

扩束透镜组6与待测体光栅9之间设置一反射镜，调整反射镜角度使入射光原路返回；将功率计设置在第二位置11，测量功率，旋转所述四分之一波片5，直至功率计测量功率最大，即表示四分之一波片5的角度调节到位。

S101、测量光路的传输损耗L。

所述步骤S101中，光路的传输损耗L的测量方法为：

S1011、将零度平面反射镜7设置在扩束透镜组6与待测体光栅9之间；

S1012、将功率计设置在第一位置4，测量入射到功率计的功率，记为校准入射功率P_in’；

S1013、将功率计设置在第二位置11，测量经零度平面反射镜7反射后入射到功率计的功率，记为校准反射功率P_out’；

S1014、计算光路的传输损耗L，计算公式为：

； （1）

其中，R₀表示零度平面反射镜7的反射率。具体地，本实施例中，采用的零度平面反射镜7镀有多层高反射率（反射率≥99.5%@1300nm-1600nm）介质膜。上述传输损耗包括激光经偏振分光棱镜3、四分之一波片5和扩束透镜组6的传输损耗，

S102、将待测体光栅9设置在体光栅固定夹具8上。

S103、先设置宽带激光器1输出激光的波长范围为1510-1630nm，输出激光功率稳定且小于5mW。测试前先将光功率计9显示数值清零，避免背景杂散光的影响。将功率计设置在第一位置4，测量入射到功率计的功率，记为入射功率P_in。

S104、将功率计设置在第二位置11，使激光通过四分之一波片和扩束透镜组6，使激光入射到待测体光栅9的端面。经过待测体光栅原路反射回来的激光在光功率计探头11处测得，测量经待测体光栅9反射后入射到功率计的功率，将测得的数据随机记录5组，取其平均值记为反射功率P_out。

S105、计算待测体光栅9的反射率，计算公式为：

。 （2）

实施例三

本发明实施例三提供了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，采用图1所示的装置实现，包括以下步骤：

S201、将零度平面反射镜7设置在扩束透镜组6与待测体光栅9之间，将功率计设置在第二位置11；

S202、旋转四分之一波片5，通过功率计测量反射光的功率，直至光功率计测量得到的功率最大，固定四分之一波片5的角度并记录此时经零度平面反射镜7反射后入射到功率计的功率，记为第一功率P₁；

S203、移开零度平面反射镜7，使光入射到待测体光栅9上，测量经待测体光栅9反射后入射到功率计的功率，记为第二功率P₂；

S204、根据步骤S202和S203得到的第一功率P₁和第二功率P₂，计算待测体光栅9的反射率。

其中，所述待测体光栅的计算公式为：

R= P₂/（P₁* R₀）；

其中，R₀表示零度平面反射镜7的反射率。

与实施例二不同的是，本实施例中，无需测量传输损耗，其通过已知反射率的高反射率平面反射镜实现反射率的校准，适用于光源功率比较稳定的条件。

本发明提供了一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置和方法，其显著优势是：相较于传统的光纤布拉格光栅的反射率测试方法来说，解决了经过光栅的反射光场耦合到光纤时存在耦合效率低、对光栅端面的平整度要求非常高等问题，可以测试传统光纤布拉格光栅反射率测试方法不方便测试的大面积体布拉格光栅，且计算方法简单，基本可以忽略光的传输损耗。本发明测试简单，利用空间光功率计探头测试输入和输出两个点的功率数据，再通过简单的运算就可以得出体光栅的反射率。此测试方法适用于大面积体布拉格光栅反射率测试，避免了采用传统方法测不了、测不准等问题，系统搭建成本低，整体系统原理简单，易于实现，极大地提高了体布拉格光栅反射率的测试精度与效率，节省了时间成本和经济成本，可以方便高效地测量多种光栅元件的反射率。本发明对于基于光栅的内腔式激光器设计和耐高温法布里-珀罗腔传感结构的测试带宽与灵敏度优化设计具有重要的意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，其特征在于，包括宽带激光器（1），半波片（2），偏振分光棱镜（3），四分之一波片（5），扩束透镜组（6）和体光栅固定夹具（8）和光功率计；所述体光栅固定夹具（8）用于设置待测体光栅（9）；

所述宽带激光器（1）发出的光经半波片（2）、偏振分光棱镜（3）后一部分光入射至所述四分之一波片（5），经所述四分之一波片（5）变成圆偏振光后、经扩束透镜组（6）入射至所述待测体光栅（9）；所述待测体光栅（9）反射的光经扩束透镜组（6）、四分之一波片（5）、偏振分光棱镜（3）后被所述光功率计接收。

2.根据权利要求1所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，其特征在于，还包括计算单元，所述计算单元与所述光功率计的输出端连接，用于根据所述光功率计的测量值计算待测体光栅（9）的反射率。

3.根据权利要求1所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，其特征在于，所述体光栅固定夹具（8）设置在二维调节架上。

4.根据权利要求1所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试装置，其特征在于，所述宽带激光器（1）的输出端通过光纤与光纤准直器相连接，所述光纤准直器、半波片（2）、偏振分光棱镜（3）、四分之一波片（5）、扩束透镜组（6）均固定在光学固定支架上。

5.一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，采用权利要求1所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S101、测量光路的传输损耗L；

S102、将待测体光栅（9）设置在体光栅固定夹具（8）上；

S103、将功率计设置在第一位置（4），测量入射到功率计的功率，记为入射功率P_in；

S104、将功率计设置在第二位置（11），测量经待测体光栅（9）反射后入射到功率计的功率，记为反射功率P_out；

S105、计算待测体光栅（9）的反射率R，计算公式为：

。

6.根据权利要求5所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，其特征在于，所述步骤S101中，光路的传输损耗L的测量方法为：

S1011、将零度平面反射镜（7）设置在扩束透镜组（6）与待测体光栅（9）之间；

S1012、将功率计设置在第一位置（4），测量入射到功率计的功率，记为校准入射功率P_in’；

S1013、将功率计设置在第二位置（11），测量经零度平面反射镜（7）反射后入射到功率计的功率，记为校准反射功率P_out’；

S1014、计算光路的传输损耗L，计算公式为：

；

其中，R₀表示零度平面反射镜（7）的反射率。

7.根据权利要求5所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，其特征在于，所述步骤S104中，反射功率P_out为多次测量的平均值。

8.根据权利要求5所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S100、旋转半波片（2），使通过偏振分光棱镜（3）入射至所述四分之一波片（5）的激光功率满足测量要求后固定角度；然后旋转所述四分之一波片（5）使激光经过其后变成圆偏振光；

旋转所述四分之一波片（5）使激光经过其后变成圆偏振光的具体方法为：

扩束透镜组（6）与待测体光栅（9）之间设置一反射镜，调整反射镜角度使入射光原路返回；

将功率计设置在第二位置（11），测量功率，旋转所述四分之一波片（5），直至功率计测量功率最大，即表示四分之一波片（5）的角度调节到位。

9.一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，采用权利要求1所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S201、将零度平面反射镜（7）设置在扩束透镜组（6）与待测体光栅（9）之间，将功率计设置在第二位置（11）；

S202、旋转四分之一波片（5），通过功率计测量反射光的功率，直至光功率计测量得到的功率最大，固定四分之一波片（5）的角度并记录此时经零度平面反射镜（7）反射后入射到功率计的功率，记为第一功率P₁；

S203、移开零度平面反射镜（7），使光入射到待测体光栅（9）上，测量经待测体光栅（9）反射后入射到功率计的功率，记为第二功率P₂；

S204、根据步骤S202和S203得到的第一功率P₁和第二功率P₂，计算待测体光栅（9）的反射率。

10.根据权利要求9所述的一种大面积体布拉格光栅的反射率测试方法，其特征在于，所述待测体光栅的反射率R计算公式为：

R= P₂/（P₁* R₀）；

其中，R₀表示零度平面反射镜（7）的反射率。

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