CN114486201B - 大口径光学元件反射率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径光学元件反射率测量系统，该系统中第一光束调节装置将宽光谱超快激光转换为线型光束或矩形光束；初始光学谐振腔内不包括光学元件，线型光束或矩形光束在光学谐振腔内衰荡，形成第一衰荡信号；线型光束或矩形光束在包括光学元件的测试光学谐振腔内衰荡，形成第二衰荡信号；根据采集到的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号，对应确定初始光学谐振腔的第一衰荡时间和测试光学谐振腔的第二衰荡时间，根据第一衰荡时间、第二衰荡时间、初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长，得到光学元件的反射率。本发明可以提高光学元件反射率测量精度和速度。

Description

大口径光学元件反射率测量系统

技术领域

本发明属于光学元件反射率测量领域，具体涉及一种大口径光学元件反射率测量系统。

背景技术

随着镀膜工艺水平的逐步提升，大口径光学元件的反射率也越来越高，甚至已超过99％。这些大口径高反射光学元件被广泛应用于高功率激光系统等各个重点技术领域中。为此需要研究一种能够快速且精确方法来测量大口径高反射光学元件的反射率，为大型激光系统提供检测，以此降低风险、避免损失。传统的反射率测量方法如分光光度法是以测量光强的比值为基础，测量精确度低，难以满足高反射率的光学元件的测量精度要求。

发明内容

本发明提供一种大口径光学元件反射率测量系统，以解决目前光学元件反射率测量系统的测量准确度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种大口径光学元件反射率测量系统，包括激光发生装置、第一光束调节装置、光学谐振腔、第二光束调节装置和采集装置，所述激光发生装置用于产生宽光谱超快激光，并将所述宽光谱超快激光发送给所述第一光束调节装置；所述第一光束调节装置将所述宽光谱超快激光转换为线型光束或矩形光束，并将所述线型光束或矩形光束提供给所述光学谐振腔；

其中初始光学谐振腔内不包括光学元件，所述线型光束或矩形光束在所述初始光学谐振腔内衰荡，形成第一衰荡信号；在将所述光学元件置于所述初始光学谐振腔内进行反射率测量时，需对所述初始光学谐振腔进行调整，形成包括所述光学元件的测试光学谐振腔，所述线型光束或矩形光束在所述测试光学谐振腔内衰荡，形成第二衰荡信号；所述第二光束调节装置分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，此后将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述采集装置；所述采集装置分别对所述第一衰荡信号和第二衰荡信号进行采集；根据采集到的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号，对应确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间和测试光学谐振腔的第二衰荡时间，根据所述第一衰荡时间、第二衰荡时间、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长，得到所述光学元件的反射率。

在一种可选的实现方式中，所述第一光束调节装置包括依次相连的第一准直器、第一衍射光栅和第一透镜，所述第一准直器对所述宽光谱超快激光进行准直，并将准直后的宽光谱超快激光提供给所述第一衍射光栅；所述第一衍射光栅将所述宽光谱超快激光转换为线型光束，并通过所述第一透镜将所述线型光束提供给所述光学谐振腔。

在另一种可选的实现方式中，所述初始光学谐振腔包括分光平片、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜的一侧面为高反射率面；所述分光平片在接收到所述线型光束后，将所述线型光束透射传输给所述第一平凹柱面反射镜，所述第一平凹柱面反射镜将所述线型光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述第二平凹柱面反射镜，所述第二平凹柱面反射镜又将所述线型光束反射回所述分光平片，此后所述分光平片再将所述第二平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述第一平凹柱面反射镜，如此所述线型光束在所述分光平片、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜构成的所述初始光学谐振腔内衰荡；所述线型光束在所述初始光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第一衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置；

所述测试光学谐振腔包括光学元件、所述分光平片、所述第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜，所述分光平片在接收到所述线型光束后，将所述线型光束透射传输给所述第一平凹柱面反射镜，所述第一平凹柱面反射镜将所述线型光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述线型光束反射给所述第二平凹柱面反射镜，所述第二平凹柱面反射镜又将所述线型光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述第二平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述分光平片，此后所述分光平片再将所述光学元件提供的线型光束反射给所述第一平凹柱面反射镜，如此所述线型光束在所述分光平片、第一平凹柱面反射镜、光学元件和第二平凹柱面反射镜构成的所述测试光学谐振腔内衰荡；所述线型光束在所述测试光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第二衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。

在另一种可选的实现方式中，所述第二光束调节装置包括第二透镜和第二衍射光栅，所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔通过所述第二透镜，分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，并将线型的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号转化为点光束，汇聚传输给所述采集装置。

在另一种可选的实现方式中，所述第一光束调节装置包括依次相连的第一准直器、第一柱棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅和第一透镜，所述第一准直器对所述宽光谱超快激光进行准直，准直后的宽光谱超快激光通过所述第一柱棱镜被传输给所述第一VIPA，所述第一VIPA将所述宽光谱超快激光转换为矩形光束，所述第一衍射光栅根据所述矩形光束中各个光束的波长大小，对所述矩形光束中的光束进行重新排列，并通过所述第一透镜将波长重新排列后的矩形光束提供给所述光学谐振腔。

在另一种可选的实现方式中，所述初始光学谐振腔包括分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的一侧面为高反射率面；所述分光平片在接收到所述矩形光束后，将所述矩形光束透射传输给所述第一平面反射镜，所述第一平面反射镜将所述矩形光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平面反射镜提供的矩形光束反射给所述第二平面反射镜，所述第二平面反射镜又将所述矩形光束反射回所述分光平片，此后所述分光平片再将所述第二平面反射镜提供的矩形光束反射给所述第一平面反射镜，如此所述矩形光束在所述分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜构成的所述初始光学谐振腔内衰荡；所述矩形光束在所述初始光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第一衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置；

所述测试光学谐振腔包括光学元件、所述分光平片、所述第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述分光平片在接收到所述矩形光束后，将所述矩形光束透射传输给所述第一平面反射镜，所述第一平面反射镜将所述矩形光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平面反射镜提供的矩形光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述矩形光束反射给所述第二平面反射镜，所述第二平面反射镜又将所述矩形光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述第二平面反射镜提供的矩形光束反射给所述分光平片，此后所述分光平片再将所述光学元件提供的矩形光束反射给所述第一平面反射镜，如此所述矩形光束在所述分光平片、第一平面反射镜、光学元件和第二平面反射镜构成的所述测试光学谐振腔内衰荡；所述矩形光束在所述测试光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第二衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。

在另一种可选的实现方式中，所述第二光束调节装置包括依次相连的第二透镜、第二衍射光栅、第二VIPA、第二柱棱镜和第二准直器，所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔通过所述第二透镜，分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，且第二衍射光栅和第二VIPA相结合将矩形的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号转换为点光束，通过所述第二柱棱镜汇聚传输给所述第二准直器，对应点光束经所述第二准直器准直后再被传输给所述采集装置。

在另一种可选的实现方式中，所述激光发生装置包括依次相连的超快光源激光器、光放大器和非线性光纤，所述超快光源激光器用于产生超快激光，所述光放大器对所述超快激光进行放大处理，所述非线性光纤对放大处理后的超快激光进行非线性处理，生成宽光谱超快激光。

在另一种可选的实现方式中，所述采集装置包括色散补偿光纤、探测器和示波器，所述色散补偿光纤分别对准直后的时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行时域拉伸，将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从频域映射到时域上，所述探测器分别对时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行光电转换，所述示波器对电形式的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号进行采集。

在另一种可选的实现方式中，根据采集到的所述第一衰荡信号，确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间时，按照指数衰减函数I(t)＝a₀exp(-t/τ₀)+b₀拟合得到初始光学谐振腔的衰荡时间τ₀，其中a₀、b₀为常系数，t为时间；

根据采集到的所述第二衰荡信号，确定所述测试光学谐振腔的第二衰荡时间时，按照指数衰减函数I(t)＝a₁exp(-t/τ₁)+b₁，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间τ₁，其中a₁、b₁为常系数，t为时间；

在根据所述第一衰荡时间τ₀、第二衰荡时间τ₁、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长L₀、L₁，得到所述光学元件的反射率时，基于光学谐振腔衰荡原理，计算得到光学元件的反射率R＝(L₀/Cτ₀-L₁/Cτ₁)。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于超快激光光源和光腔衰荡技术有利于提高测量精度，采用衍射光栅进行色散，可以使待测光学元件的空间位置和光谱相对应，使用宽光谱光源，具有更宽的扫描范围。超快激光宽带光源配合合适色散的空间色散元件以及物镜焦距达到了快速检测大口径高反射光学元件的目的，且可实现光学元件成像测量，简化了测量装置，降低了测量成本；

2、本发明采用宽光谱超快激光对光学元件反射率进行测量，其宽光谱特性使系统可以同时测量光学元件在多个不同波长下的反射率，并且其超快特性使光学元件反射率测量速度得到了提高；

3、本发明通过第一光束调节装置将宽光谱超快激光转换为线型光束，线型光束中各个光束的波长各不相同，利用线型光束可以对光学元件的反射率进行线扫描，而不是点扫描，因而可以进一步提高光学元件的反射率测量效率；本发明通过第一光束调节装置将宽光谱超快激光转换为矩形光束，再通过第一衍射光栅将矩形光束中各个光束按照波长大小进行重新排序，由此利用矩形光束可以对光学元件的反射率进行面扫描，因而可以进一步提高光学元件的反射率测量效率，并且在面扫描时可以同时测量光学元件在多个不同波长下的反射率。

附图说明

图1是本发明大口径光学元件反射率测量系统的结构方框图；

图2是本发明大口径光学元件反射率测量系统的一个实施例线扫描初始光学谐振腔时的结构方框图；

图3是本发明大口径光学元件反射率测量系统的一个实施例线扫描测试光学谐振腔时的结构方框图；

图4是本发明大口径光学元件反射率测量系统的另一实施例面扫描初始光学谐振腔时的结构方框图；

图5是本发明大口径光学元件反射率测量系统的另一实施例面扫描测试光学谐振腔时的结构方框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明大口径光学元件反射率测量系统的结构方框图，该大口径光学元件反射率测量系统可以包括激光发生装置、第一光束调节装置、光学谐振腔、第二光束调节装置和采集装置，所述激光发生装置用于产生宽光谱超快激光，并将所述宽光谱超快激光发送给所述第一光束调节装置；所述第一光束调节装置将所述宽光谱超快激光转换为线型光束或矩形光束，并将所述线型光束或矩形光束提供给所述光学谐振腔；其中初始光学谐振腔内不包括光学元件，所述线型光束或矩形光束在所述初始光学谐振腔内衰荡，形成第一衰荡信号；在将所述光学元件置于所述初始光学谐振腔内进行反射率测量时，需对所述初始光学谐振腔进行调整，形成包括所述光学元件的测试光学谐振腔，所述线型光束或矩形光束在所述测试光学谐振腔内衰荡，形成第二衰荡信号；所述第二光束调节装置分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，此后将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述采集装置；所述采集装置分别对所述第一衰荡信号和第二衰荡信号进行采集；根据采集到的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号，对应确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间和测试光学谐振腔的第二衰荡时间，根据所述第一衰荡时间、第二衰荡时间、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长，得到所述光学元件的反射率。

本发明中，激光发生装置的输出端通过第一光束调节装置连接光学谐振腔的输入端，该光学谐振腔的输出端还通过第二光束调节装置与采集装置连接，光学谐振腔中不包括光学元件时为初始光学谐振腔，包括光学元件时为测试光学谐振腔。在对光学元件的反射率进行测试时，首先不将光学元件置于光学谐振腔内，此时激光发生装置产生的宽光谱超快激光被传输给第一光束调节装置，由第一光束调节装置将该宽光谱超快激光转换为线型光束或矩形光束后，将线型光束或矩形光束传输给初始光学谐振腔内衰荡，形成第一衰荡信号，此后根据第一衰荡信号，确定初始光学谐振腔的第一衰荡时间；然后将光学元件置于光学谐振腔内，对初始光学谐振腔内的组件位置进行调节，从而形成包括光学元件的测试光学谐振腔，此时第一光束调节装置将该宽光谱超快激光转换为线型光束或矩形光束后，将线型光束或矩形光束传输给测试光学谐振腔内衰荡，形成第二衰荡信号，此后根据第二衰荡信号，确定测试光学谐振腔的第二衰荡时间。

本发明光学元件反射率测量可以分为线扫描和面扫描两种扫描方式。

参见图2，为本发明大口径光学元件反射率测量系统的一个实施例线扫描初始光学谐振腔时的结构方框图。图2与图1所示实施例的区别在于，所述激光发生装置可以包括依次相连的超快光源激光器、光放大器和非线性光纤，所述超快光源激光器用于产生超快激光，所述光放大器对所述超快激光进行放大处理，所述非线性光纤对放大处理后的超快激光进行非线性处理，生成宽光谱超快激光。其中，超快光源激光器可以利用碳纳米管作为可饱和吸收体，在净色散为正的环形激光腔中实现耗散孤子激光输出，此时输出的超快激光的光谱范围可以为十几纳米，脉冲重复频率大于兆赫兹，且该超快激光为脉冲激光，其依次经光放大器放大处理、经非线性光纤非线性处理后，形成具有超宽光谱和高相干性的超快激光。例如该超快激光的中心波长可以为1550nm，光谱带宽为10nm，重复频率为7.4MHz，耗散孤子激光光源经过光放大器放大到150mW后注入高非线性光纤，通过自相位调制、四波混频等实现超宽光谱的方式产生宽光谱超快激光。该超快光源激光器可以为耗散孤子光源、传统孤子光源或其他超快激光光源。本发明采用宽光谱超快激光对光学元件反射率进行测量，其宽光谱特性使系统可以同时测量光学元件在多个不同波长下的反射率，并且其超快特性使光学元件反射率测量速度得到了提高。

本实施例中，所述第一光束调节装置可以包括依次相连的第一准直器、第一衍射光栅和第一透镜，所述第一准直器对所述宽光谱超快激光进行准直，并将准直后的宽光谱超快激光提供给所述第一衍射光栅；所述第一衍射光栅将所述宽光谱超快激光转换为线型光束，并通过所述第一透镜将所述线型光束提供给所述光学谐振腔。所述第一透镜将所述线型光束变换为平行光束，第一衍射光栅可以为1200线的衍射光栅。其中，所述线型光束可以分别提供给所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔。本发明通过第一光束调节装置将宽光谱超快激光转换为线型光束，线型光束中各个光束的波长各不相同，利用线型光束可以对光学元件的反射率进行线扫描，而不是点扫描，因而可以进一步提高光学元件的反射率测量效率。

本实施例中，所述初始光学谐振腔可以包括分光平片、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜的一侧面为高反射率面；所述分光平片在接收到所述线型光束后，将所述线型光束透射传输给所述第一平凹柱面反射镜，所述第一平凹柱面反射镜将所述线型光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述第二平凹柱面反射镜，所述第二平凹柱面反射镜又将所述线型光束反射回所述分光平片，此后所述分光平片再将所述第二平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述第一平凹柱面反射镜，如此所述线型光束在所述分光平片、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜构成的所述初始光学谐振腔内衰荡；所述线型光束在所述初始光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第一衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。

结合图3所示，在将所述光学元件置于所述初始光学谐振腔内进行反射率测量时，需对所述初始光学谐振腔进行调整(即对第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜进行移动)，形成包括所述光学元件的测试光学谐振腔，使得测试光学谐振腔为稳定腔。为此，所述测试光学谐振腔可以包括光学元件、所述分光平片、所述第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜，所述分光平片在接收到所述线型光束后，将所述线型光束透射传输给所述第一平凹柱面反射镜，所述第一平凹柱面反射镜将所述线型光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述线型光束反射给所述第二平凹柱面反射镜，所述第二平凹柱面反射镜又将所述线型光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述第二平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述分光平片，此后所述分光平片再将所述光学元件提供的线型光束反射给所述第一平凹柱面反射镜，如此所述线型光束在所述分光平片、第一平凹柱面反射镜、光学元件和第二平凹柱面反射镜构成的所述测试光学谐振腔内衰荡；所述线型光束在所述测试光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第二衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。

其中，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜的一侧面的反射率、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜的反射率均可以大于99％，例如透反比为1：99，所述初始光学谐振腔中分光平片、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜构成V型腔，线型光束呈V型传输。所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔，初始光学谐振腔的腔长可以为L₀，满足0<L₀<2r，测试光学谐振腔的腔长可以为L₁，满足0<L₁<2r，r为第一平凹柱面反射镜的凹面曲率半径，该第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜的凹面曲率半径相等。需要注意是：输入至所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔中的线型光束相同。

所述第二光束调节装置包括第二透镜和第二衍射光栅，所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔通过所述第二透镜，分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，并将线型的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号转化为点光束，汇聚传输给所述采集装置。

所述采集装置可以包括色散补偿光纤、探测器和示波器，所述色散补偿光纤分别对准直后的时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行时域拉伸，将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从频域映射到时域上，所述探测器分别对时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行光电转换，所述示波器对电形式的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号进行采集。

其中，该示波器可以为高速示波器，其采样率可以为12Gsa/s，示波器采集到第一衰荡信号和第二衰荡信号后，根据采集到的所述第一衰荡信号，确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间时，可以按照指数衰减函数I(t)＝a₀exp(-t/τ₀)+b₀拟合得到初始光学谐振腔的衰荡时间τ₀，其中a₀、b₀为常系数，t为时间；根据采集到的所述第二衰荡信号，确定所述测试光学谐振腔的第二衰荡时间时，可以按照指数衰减函数I(t)＝a₁exp(-t/τ₁)+b₁，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间τ₁，其中a₁、b₁为常系数，t为时间。

在根据所述第一衰荡时间Φ₀、第二衰荡时间Φ₁、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长L₀、L₁，得到所述光学元件的反射率时，基于光学谐振腔衰荡原理，可以计算得到光学元件的反射率R＝(L₀/Cτ₀-L₁/Cτ₁)。本实施例可以实现光学元件反射率线扫描测量，为了实现光学元件反射率面扫描测量，可以通过将光学元件沿导轨与线型光束正交的方向步进移动，线扫描和光学元件步进移动相结合，便可实现光学元件反射率二维扫描测量。其中，采集装置可以与计算机连接，由计算机确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间和测试光学谐振腔的第二衰荡时间，并根据所述第一衰荡时间、第二衰荡时间、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长，得到所述光学元件的反射率。本发明在线扫描时通过采用光学谐振腔衰荡技术，可以提高光学元件反射率测量精度，并尤其适用于对测量精度要求高的高反射率光学元件反射率测量。

由上述实施例可见，本发明基于超快激光光源和光腔衰荡技术有利于提高测量精度，采用衍射光栅进行色散，可以使待测光学元件的空间位置和光谱相对应，使用宽光谱光源，具有更宽的扫描范围。超快激光宽带光源配合合适色散的空间色散元件以及物镜焦距达到了快速检测大口径高反射光学元件的目的，且可实现光学元件成像测量，简化了测量装置，降低了测量成本。

参见图4，为本发明大口径光学元件反射率测量系统的一个实施例面扫描初始光学谐振腔时的结构方框图。图4与图1所示实施例的区别在于，所述激光发生装置可以包括依次相连的超快光源激光器、光放大器和非线性光纤，所述超快光源激光器用于产生超快激光，所述光放大器对所述超快激光进行放大处理，所述非线性光纤对放大处理后的超快激光进行非线性处理，生成宽光谱超快激光。该超快光源激光器可以为耗散孤子光源、传统孤子光源或其他超快激光光源。本发明采用宽光谱超快激光对光学元件反射率进行测量，其宽光谱特性使系统可以同时测量光学元件在多个不同波长下的反射率，并且其超快特性使光学元件反射率测量速度得到了提高。

本实施例中，所述第一光束调节装置可以包括依次相连的第一准直器、第一柱棱镜、第一VIPA(Virtually imaged phased array，虚像成像相位阵列)、第一衍射光栅和第一透镜，所述第一准直器对所述宽光谱超快激光进行准直，准直后的宽光谱超快激光通过所述第一柱棱镜被传输给所述第一VIPA，所述第一VIPA将所述宽光谱超快激光转换为矩形光束，所述第一衍射光栅根据所述矩形光束中各个光束的波长大小，对所述矩形光束中的光束进行重新排列，并通过所述第一透镜将波长重新排列后的矩形光束提供给所述光学谐振腔。所述第一透镜将所述矩形光束变换为平行光束，第一衍射光栅可以为1200线的衍射光栅。其中，所述矩形光束可以分别提供给所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔。本发明通过第一光束调节装置将宽光谱超快激光转换为矩形光束，再通过第一衍射光栅将矩形光束中各个光束按照波长大小进行重新排序，由此利用矩形光束可以对光学元件的反射率进行面扫描，因而可以进一步提高光学元件的反射率测量效率，并且在面扫描时可以同时测量光学元件在多个不同波长下的反射率。

本实施例中，所述初始光学谐振腔可以包括分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的一侧面为高反射率面；所述分光平片在接收到所述矩形光束后，将所述矩形光束透射传输给所述第一平面反射镜，所述第一平面反射镜将所述矩形光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平面反射镜提供的矩形光束反射给所述第二平面反射镜，所述第二平面反射镜又将所述矩形光束反射回所述分光平片，此后所述分光平片再将所述第二平面反射镜提供的矩形光束反射给所述第一平面反射镜，如此所述矩形光束在所述分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜构成的所述初始光学谐振腔内衰荡；所述矩形光束在所述初始光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第一衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。其中，第一VIPA的入射面除入射窗口区域镀增透膜(AR)外，均镀反射率为100％的高反膜，出射面镀反射率一般为95％～98％的部分透射膜，入射光以很小的入射角从入射窗口进入，被聚焦到出射面。一小部分入射光通过部分透射膜出射，经过光束腰后发散；其余的光被反射后，又有一部分从出射面射出，这样入射光在第一VIPA内进行多次反射，被分成具有恒定位移的平行光通道，每个光通道具有一束似乎是从虚像光束腰部发散出的强度逐渐降低的光。对于光栅，以同样的入射角α不同波长组成的混合光入射到光栅上，不同波长的衍射光会以不同的衍射角β出射，且不同波长的谱线按波长的次序顺序排列。因此混合不同波长的复合光经光栅衍射后会彼此分开。

结合图5所示，在将所述光学元件置于所述初始光学谐振腔内进行反射率测量时，需对所述初始光学谐振腔进行调整(即对第一平面反射镜和第二平面反射镜进行移动)，形成包括所述光学元件的测试光学谐振腔，使得测试光学谐振腔为稳定腔。为此，所述测试光学谐振腔可以包括光学元件、所述分光平片、所述第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述分光平片在接收到所述矩形光束后，将所述矩形光束透射传输给所述第一平面反射镜，所述第一平面反射镜将所述矩形光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平面反射镜提供的矩形光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述矩形光束反射给所述第二平面反射镜，所述第二平面反射镜又将所述矩形光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述第二平面反射镜提供的矩形光束反射给所述分光平片，此后所述分光平片再将所述光学元件提供的矩形光束反射给所述第一平面反射镜，如此所述矩形光束在所述分光平片、第一平面反射镜、光学元件和第二平面反射镜构成的所述测试光学谐振腔内衰荡；所述矩形光束在所述测试光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第二衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。

其中，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的一侧面的反射率、第一平面反射镜和第二平面反射镜的反射率均可以大于99％，例如透反比为1：99，所述初始光学谐振腔中分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜构成V型腔，线型光束呈V型传输。所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔，初始光学谐振腔的腔长可以为L₀，测试光学谐振腔的腔长可以为L₁。需要注意是：输入至所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔中的矩形光束相同。

所述第二光束调节装置可以包括依次相连的第二透镜、第二衍射光栅、第二VIPA、第二柱棱镜和第二准直器，所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔通过所述第二透镜，分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，且第二衍射光栅和第二VIPA相结合将矩形的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号转换为点光束，通过所述第二柱棱镜汇聚传输给所述第二准直器，对应点光束经所述第二准直器准直后再被传输给所述采集装置。所述采集装置可以包括色散补偿光纤、探测器和示波器，所述色散补偿光纤分别对准直后的时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行时域拉伸，将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从频域映射到时域上，所述探测器分别对时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行光电转换，所述示波器对电形式的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号进行采集。

其中，该示波器可以为高速示波器，其采样率可以为12Gsa/s，示波器采集到第一衰荡信号和第二衰荡信号后，根据采集到的所述第一衰荡信号，确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间时，可以按照指数衰减函数I(t)＝a₀exp(-t/τ₀)+b₀拟合得到初始光学谐振腔的衰荡时间τ₀，其中a₀、b₀为常系数，t为时间；根据采集到的所述第二衰荡信号，确定所述测试光学谐振腔的第二衰荡时间时，可以按照指数衰减函数I(t)＝a₁exp(-t/τ₁)+b₁，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间τ₁，其中a₁、b₁为常系数，t为时间。

在根据所述第一衰荡时间τ₀、第二衰荡时间τ₁、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长L₀、L₁，得到所述光学元件的反射率时，基于光学谐振腔衰荡原理，可以计算得到光学元件的反射率R＝(L₀/Cτ₀-L₁/Cτ₁)。其中，采集装置可以与计算机连接，由计算机确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间和测试光学谐振腔的第二衰荡时间，并根据所述第一衰荡时间、第二衰荡时间、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长，得到所述光学元件的反射率。本发明在面扫描时通过采用光学谐振腔衰荡技术，可以提高光学元件反射率测量精度，并尤其适用于对测量精度要求高的高反射率光学元件反射率测量。需要注意的是，本实施例中第一光束调节装置中第一VIPA中光束再入射平面的空间色散方向与第一衍射光栅正交。

由上述实施例可见，本发明基于超快激光光源和光腔衰荡技术有利于提高测量速度和精度，采用VIPA与衍射光栅结合的方式来进行色散，可以使待测光学元件的空间位置和光谱相对应，使用宽光谱光源，具有更宽的扫描范围。超快激光宽带光源配合合适色散的空间色散元件以及物镜焦距达到了快速检测大口径高反射光学元件的目的，且可实现光学元件成像测量，简化了测量装置，降低了测量成本。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。

Claims (9)

1.一种大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，包括激光发生装置、第一光束调节装置、光学谐振腔、第二光束调节装置和采集装置，所述激光发生装置用于产生宽光谱超快激光，并将所述宽光谱超快激光发送给所述第一光束调节装置；所述第一光束调节装置将所述宽光谱超快激光转换为线型光束或矩形光束，并将所述线型光束或矩形光束提供给所述光学谐振腔；

其中初始光学谐振腔内不包括光学元件，所述线型光束或矩形光束在所述初始光学谐振腔内衰荡，形成第一衰荡信号；在将所述光学元件置于所述初始光学谐振腔内进行反射率测量时，需对所述初始光学谐振腔进行调整，形成包括所述光学元件的测试光学谐振腔，所述线型光束或矩形光束在所述测试光学谐振腔内衰荡，形成第二衰荡信号；所述第二光束调节装置分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，此后将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述采集装置；所述采集装置分别对所述第一衰荡信号和第二衰荡信号进行采集；根据采集到的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号，对应确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间和测试光学谐振腔的第二衰荡时间，根据所述第一衰荡时间、第二衰荡时间、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长，得到所述光学元件的反射率；

所述激光发生装置包括依次相连的超快光源激光器、光放大器和非线性光纤，所述超快光源激光器用于产生超快激光，所述光放大器对所述超快激光进行放大处理，所述非线性光纤对放大处理后的超快激光进行非线性处理，生成宽光谱超快激光；

所述初始光学谐振腔包括分光平片、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜，所述测试光学谐振腔包括光学元件、所述分光平片、所述第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜；或者所述初始光学谐振腔包括分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述测试光学谐振腔包括光学元件、所述分光平片、所述第一平面反射镜和第二平面反射镜。

2.根据权利要求1所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，所述第一光束调节装置包括依次相连的第一准直器、第一衍射光栅和第一透镜，所述第一准直器对所述宽光谱超快激光进行准直，并将准直后的宽光谱超快激光提供给所述第一衍射光栅；所述第一衍射光栅将所述宽光谱超快激光转换为线型光束，并通过所述第一透镜将所述线型光束提供给所述光学谐振腔。

3.根据权利要求2所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜的一侧面为高反射率面；所述分光平片在接收到所述线型光束后，将所述线型光束透射传输给所述第一平凹柱面反射镜，所述第一平凹柱面反射镜将所述线型光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述第二平凹柱面反射镜，所述第二平凹柱面反射镜又将所述线型光束反射回所述分光平片，此后所述分光平片再将所述第二平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述第一平凹柱面反射镜，如此所述线型光束在所述分光平片、第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜构成的所述初始光学谐振腔内衰荡；所述线型光束在所述初始光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第一衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置；

所述分光平片在接收到所述线型光束后，将所述线型光束透射传输给所述第一平凹柱面反射镜，所述第一平凹柱面反射镜将所述线型光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述线型光束反射给所述第二平凹柱面反射镜，所述第二平凹柱面反射镜又将所述线型光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述第二平凹柱面反射镜提供的线型光束反射给所述分光平片，此后所述分光平片再将所述光学元件提供的线型光束反射给所述第一平凹柱面反射镜，如此所述线型光束在所述分光平片、第一平凹柱面反射镜、光学元件和第二平凹柱面反射镜构成的所述测试光学谐振腔内衰荡；所述线型光束在所述测试光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第二衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。

4.根据权利要求2或3所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，所述第二光束调节装置包括第二透镜和第二衍射光栅，所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔通过所述第二透镜，分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，并将线型的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号转化为点光束，汇聚传输给所述采集装置。

5.根据权利要求1所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，所述第一光束调节装置包括依次相连的第一准直器、第一柱棱镜、第一VIPA、第一衍射光栅和第一透镜，所述第一准直器对所述宽光谱超快激光进行准直，准直后的宽光谱超快激光通过所述第一柱棱镜被传输给所述第一VIPA，所述第一VIPA将所述宽光谱超快激光转换为矩形光束，所述第一衍射光栅根据所述矩形光束中各个光束的波长大小，对所述矩形光束中的光束进行重新排列，并通过所述第一透镜将波长重新排列后的矩形光束提供给所述光学谐振腔。

6.根据权利要求5所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，所述分光平片面向所述第一光束调节装置的一侧面为高透射率面，面向所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的一侧面为高反射率面；所述分光平片在接收到所述矩形光束后，将所述矩形光束透射传输给所述第一平面反射镜，所述第一平面反射镜将所述矩形光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平面反射镜提供的矩形光束反射给所述第二平面反射镜，所述第二平面反射镜又将所述矩形光束反射回所述分光平片，此后所述分光平片再将所述第二平面反射镜提供的矩形光束反射给所述第一平面反射镜，如此所述矩形光束在所述分光平片、第一平面反射镜和第二平面反射镜构成的所述初始光学谐振腔内衰荡；所述矩形光束在所述初始光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第一衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置；

所述分光平片在接收到所述矩形光束后，将所述矩形光束透射传输给所述第一平面反射镜，所述第一平面反射镜将所述矩形光束反射回所述分光平片，所述分光平片将所述第一平面反射镜提供的矩形光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述矩形光束反射给所述第二平面反射镜，所述第二平面反射镜又将所述矩形光束反射给所述光学元件，所述光学元件将所述第二平面反射镜提供的矩形光束反射给所述分光平片，此后所述分光平片再将所述光学元件提供的矩形光束反射给所述第一平面反射镜，如此所述矩形光束在所述分光平片、第一平面反射镜、光学元件和第二平面反射镜构成的所述测试光学谐振腔内衰荡；所述矩形光束在所述测试光学谐振腔内完成衰荡后，形成所述第二衰荡信号并从所述分光平片输出给所述第二光束调节装置。

7.根据权利要求5或6所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，所述第二光束调节装置包括依次相连的第二透镜、第二衍射光栅、第二VIPA、第二柱棱镜和第二准直器，所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔通过所述第二透镜，分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号传输给所述第二衍射光栅，所述第二衍射光栅分别将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从空间域映射到频域上，且第二衍射光栅和第二VIPA相结合将矩形的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号转换为点光束，通过所述第二柱棱镜汇聚传输给所述第二准直器，对应点光束经所述第二准直器准直后再被传输给所述采集装置。

8.根据权利要求1所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，所述采集装置包括色散补偿光纤、探测器和示波器，所述色散补偿光纤分别对准直后的时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行时域拉伸，将所述第一衰荡信号和第二衰荡信号从频域映射到时域上，所述探测器分别对时域上的第一衰荡信号和第二衰荡信号进行光电转换，所述示波器对电形式的所述第一衰荡信号和第二衰荡信号进行采集。

9.根据权利要求1所述的大口径光学元件反射率测量系统，其特征在于，根据采集到的所述第一衰荡信号，确定所述初始光学谐振腔的第一衰荡时间时，按照指数衰减函数I(t)＝a₀exp(-t/τ₀)+b₀拟合得到初始光学谐振腔的衰荡时间τ₀，其中a₀、b₀为常系数，t为时间；

根据采集到的所述第二衰荡信号，确定所述测试光学谐振腔的第二衰荡时间时，按照指数衰减函数I(t)＝a₁exp(-t/τ₁)+b₁，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间τ₁，其中a₁、b₁为常系数，t为时间；

在根据所述第一衰荡时间τ₀、第二衰荡时间τ₁、所述初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的腔长L₀、L₁，得到所述光学元件的反射率时，基于光学谐振腔衰荡原理，计算得到光学元件的反射率R＝(L₀/Cτ₀-L₁/Cτ₁)。

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