CN114136926B - 一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法，该方法包括：搭建衰荡腔，建立腔参数失调量与腔损耗之间的映射关系模型，筛选优化后的腔损耗，用于完成待测光学元件的高反射率测量。本方法分别通过初始衰荡腔和测试衰荡腔的腔损耗建模，可获取腔损耗优化数值，相比于传统调腔方法，可显著降低衰荡腔相对失调量，减小传统方法因陷入腔损耗局部极值引起的测量误差，从而有效提高待测光学元件高反射率测量的测量重复性精度，获得准确度和可靠度更高的高反射率测量结果。

Description

一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法

技术领域

本发明涉及光腔衰荡技术领域，具体涉及一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法。

背景技术

光腔衰荡(Cavity ring-down，CRD)技术是一种基于高精细度无源谐振腔(衰荡腔)的光学探测技术，已广泛应用于痕量气体检测、高反射率测量、吸收光谱测量及光纤传感等领域，是目前在以上技术领域中测量精度最高的方法。(Sanders V，“High-precisionreflectivity measurement technique for low-loss laser mirrors”，AppliedOptics，1977，16(1)：19-20；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)。以高反射率测量为例，其基本工作流程为：搭建衰荡腔，首先获取初始腔腔损耗大小，然后将待测高反射率样片作为腔镜引入衰荡腔内构成测试腔，通过监测腔损耗变化量即可计算得到待测样片的反射率数值。由此过程可以看出，衰荡腔的调腔精度对于高反射率测量结果影响显著。但目前腔失调参数与腔损耗之间的映射关系并不明确，进而造成调腔过程中腔相对失调量亦不明晰。目前常见的腔损耗获取标准是监测衰荡腔透射信号峰值(Paldus B A，KachanovAA，“An historical overview ofcavity-enhanced method”，Canadian Journal ofPhysics，2005，83：975-999)和监测基横模状态下的衰荡腔信号峰值(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)。但这两种方式都未注意到特定谐振模式下存在多个不同腔损耗大小的腔状态，且未探索研究腔损耗与腔参数失调量之间的关系模型，容易陷入腔损耗局部极值，测量重复性精度和可靠度有待提高。

因此，我们在搭建衰荡腔的基础上，通过建立腔参数失调量与腔损耗之间的映射关系模型，筛选优化的腔损耗，计算衰荡腔相对损耗量，可得到测量重复性精度更高的待测样片高反射率测量结果。同时，本方法相较于传统方法的测量可靠度和稳定性也均有提升，为抑制衰荡腔相对失调提供一种解决方案，也可为实现光腔衰荡高反射率测量的仪器化和自动化提供有价值的参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前光腔衰荡高反射率测量技术中腔参数失调量与腔损耗之间映射关系模型未知，腔损耗的获取具有容易陷入局部极值，进而造成测量准确性和可靠性下降的缺点。针对这一问题，提供一种基于腔参数失调量与腔损耗之间映射关系模型的光腔衰荡高反射率测量方法，能够避免陷入腔损耗局部极值，有效提高测量重复性精度，测量结果具有更高的准确度和可靠度。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：搭建衰荡腔，分别建立初始腔和测试腔腔参数失调量与腔损耗之间的映射关系模型，筛选优化的腔损耗，计算衰荡腔相对损耗，完成高反射率待测样片的反射率测量过程。

具体实现步骤如下：

步骤(1)、搭建衰荡腔，确定腔损耗建模所需的模型输入参数。

腔损耗模型输入参数包括腔失调的各种参数，如腔镜倾斜量、腔轴偏移量、腔长、腔镜倾斜方向的维数等衰荡腔参数。

步骤(2)、以模型输入参数为变量，获取相应腔损耗，构建腔损耗建模所需的模型输出参数，建立腔参数失调量与腔损耗之间的映射关系模型。

腔损耗模型输出参数可以为直接或间接反映腔损耗的相关表征参数，如光腔衰荡时间、腔损耗大小、衰荡腔透射光斑形态等，可以选择其中一种参数，也可以综合使用其中数种参数。

腔损耗模型建模方式，包括但不限于实验手动扫描、仿真优化、理论物理推导建模等方式。

腔损耗模型的建模过程可约束其中某一或某些输入量或输出量的动态范围，如腔镜的倾斜角度范围，衰荡腔透射信号幅值等。

腔损耗建模过程中光腔衰荡信号处理算法采用非线性最小二乘拟合算法。

步骤(3)、分别完成初始衰荡腔和测试衰荡腔的腔损耗建模，以一定标准筛选模型中优化的腔损耗数值，计算衰荡腔相对损耗量，计算完成高反射率待测光学元件的反射率测量。

筛选优化的腔损耗标准可以为光腔衰荡信号峰值、基横模下信号峰值、稳定标准的衰荡腔透射光斑形态等。

腔损耗模型中筛选优化的腔损耗数值过程采用非线性最小二乘拟合算法。

本发明的原理是：搭建衰荡腔，建立腔参数失调量与腔损耗之间的映射关系模型。通过在腔损耗模型中筛选出初始腔和测试腔在近似相同失调状态下的优化腔损耗，计算衰荡腔相对损耗量，完成高反射率待测样片的反射率测量。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本方法通过建立腔参数失调量与腔损耗之间的关系模型，可获取优化的腔损耗，有效抑制衰荡腔相对失调量，减小现有技术方法因陷入腔损耗局部极值引起的测量误差，有效提高高反射率待测样片的测量重复性精度，获得相较于现有技术方法准确度和可靠度更高的测量结果，降低了光腔衰荡高反射率测量的经验门槛。

附图说明

图1为本发明的两腔镜直型衰荡腔结构示意图；

图2为本发明的一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法的流程图；

图3为本发明的一种衰荡腔腔失调量与腔损耗之间映射关系模型获取结果；

图4为本发明的一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法与传统测量方法的重复实验结果对比图。

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2所示，本发明的一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法的具体实施方法如下：

步骤(1)、搭建两腔镜直型衰荡腔，采用二维可调反射镜座扫描衰荡腔参数(主要为腔镜倾斜失调量)，确定腔损耗建模所需的模型输入参数。

如图1所示，其中腔镜M1、M2均为曲率半径均约1m的平凹反射镜。衰荡腔腔长为0.65m，满足稳定腔条件。激光光源与衰荡腔同轴注入衰荡腔。腔镜M1的透射光束由光电探测器(PD)接收，采集的衰荡信号由采集卡采集传输到计算机(PC)进行分析处理。本实施例中，模型输入参数为腔镜M2的腔镜倾斜失调量。

步骤(2)、以模型输入参数为变量，获取相应腔损耗，构建腔损耗建模所需的模型输出参数数据集，建立腔参数失调量与腔损耗之间的映射关系模型。本实施例中，反映腔损耗数值的表征参数为光腔衰荡时间，腔损耗模型建模过程约束为稳定的衰荡腔基横模谐振模式，建模过程中的光腔衰荡信号处理算法采用非线性最小二乘拟合算法，建模方式为基于实验扫描记录的相关参数集之上的腔损耗分布建模方式，建立模型为衰荡腔腔镜M2水平和垂直两个维度的倾斜失调量与相应光腔衰荡时间的映射关系模型。

步骤(3)、分别完成初始衰荡腔和测试衰荡腔的腔损耗模型建立，通过腔损耗模型筛选出初始腔和测试腔在近似相同失调状态下的优化腔损耗，计算衰荡腔相对损耗量，计算并完成高反射率待测样片的反射率测量。本实施例中，腔损耗筛选标准为基横模下的最长光腔衰荡时间，筛选过程中采用非线性最小二乘拟合算法。

在本实施例中，相较于传统方法测量结果，利用本发明方法对同一高反射率待测样片6次实验测量结果的测量重复性精度由126ppm提高到约9.83ppm，测量重复性PV值由325ppm提高到27ppm，如附图4所示。

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 (1)

1.一种基于腔损耗建模的光腔衰荡高反射率测量方法，其特征在于，实现步骤如下：

步骤（1）、搭建衰荡腔，确定腔损耗建模所需的模型输入参数；

步骤（2）、以模型输入参数为变量，获取相应腔损耗，构建腔损耗建模所需的模型输出参数，采用非线性最小二乘拟合算法，建立腔参数失调量与腔损耗之间的映射关系模型，所述映射关系模型为衰荡腔腔镜水平和垂直两个维度的倾斜失调量与相应光腔衰荡时间的映射关系；

步骤（3）、分别完成初始衰荡腔和测试衰荡腔的腔损耗建模，采用非线性最小二乘拟合算法，筛选模型中优化的腔损耗数值，计算衰荡腔相对损耗量，计算完成高反射率待测光学元件的反射率测量；

其中，步骤（1）所述的模型输入参数为腔失调的各种参数，包括腔镜倾斜量、腔轴偏移量、腔长、腔镜倾斜方向的维数；

步骤（2）所述的模型输出参数为直接或间接反映腔损耗的相关表征参数，为光腔衰荡时间、腔损耗大小、衰荡腔透射光斑形态中的一种或多种；

步骤（2）腔损耗建模方式，包括实验手动扫描、仿真优化、理论物理推导建模方式；

步骤（2）腔损耗建模过程可约束其中某一或某些输入量或输出量的动态范围，包括腔镜的倾斜角度范围，衰荡腔透射信号幅值；

步骤（3）筛选模型中优化的腔损耗数值的标准为光腔衰荡信号峰值、稳定标准的衰荡腔透射光斑形态。