CN114739643A - 一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，包括激光光源(1)、指示光源(2)、分光反射镜(3)、平面反射镜(4)、耦合镜(5)、平面腔镜(6)、第一高反腔镜(7)、第一聚焦透镜(8)、光电探测器(9)、第二高反腔镜(10)、第二聚焦透镜(11)、CCD相机(12)、计算机(13)和待测样片(14)；其中，所述平面腔镜(6)、第一高反腔镜(7)和第二高反腔镜(10)构成衰荡腔，所述耦合镜(5)反馈光与衰荡腔内光场相干增强，所述光电探测器(9)记录激光光源(1)经衰荡腔后的光腔输出信号，所述CCD相机(12)记录透射光束的光斑模式。本发明相比于传统光腔衰荡高反射率测量，原理简单、调腔方便，测量精度高，测量稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及光腔衰荡技术领域，具体涉及一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置。
背景技术
光腔衰荡高反射率测量技术是一种基于高精细度无源谐振腔的光学精密探测技术，被认为是目前唯一能精确测量高反射率(反射率R>99.9％)的方法，其测量不确定度可达0.0001％(1ppm)或更低。(J.M.Herbelin,J.A.McKay,M.A.Kwok,R.H.Ueunten,D.S.Urevig,D.J.Spencer,and D.J.Benard，“Sensitive measurement ofphotonlifetime and true reflectances in an optical cavity by aphase-shift method”，Applied Optics,1980,19(1):144-147；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)。该技术的基本工作流程为：首先搭建初试衰荡腔并测量其腔损耗大小，然后引入待测高反射率样片构成测试衰荡腔并再次测量腔损耗大小。根据两次测量过程中腔损耗的相对变化，即可解算得到待测样片的反射率数值。在此过程中，初始腔的腔内损耗越小，测量精度就越高。(孙福革，戴东旭，解金春，用光腔衰荡光谱方法精确测量高反镜的反射率，《中国激光》，1999，26(1)：35-38)。传统减小腔损耗的方法主要为升级衰荡腔腔内元器件，如使用超高反射率腔镜(R>99.9998％)、棱镜(应用在倏逝波腔衰荡技术中)等，但超高反射镜会增加腔内信号探测难度，导致测量精度下降；棱镜的使用角度要求苛刻，调节难度较高。而耦合光腔衰荡技术相比于传统光腔衰荡系统仅在腔外增加了一块反射镜作为耦合镜，调节耦合镜可使反馈光与衰荡腔内光场相干增强，等效于提高了耦合腔另一腔镜的反射率，从而可达到降低腔损耗的目的。
因此，基于耦合光腔衰荡技术，本发明提供一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置。该装置通过在传统衰荡腔结构上增加一块耦合镜以降低衰荡腔腔内损耗，且引入CCD相机来监测衰荡腔腔内光斑模式作为辅助调腔手段，来实现对待测样片的高反射率精密测量过程。相比于传统光腔衰荡高反射率测量，本发明不改变传统衰荡腔腔内元器件，结构新颖，原理简单、调腔方便，测量精度高，测量稳定性好。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前为提高高反射率测量精度的光腔衰荡法中减小腔内损耗的方式多为升级升级腔内元器件，如使用超高反射率腔镜、棱镜等，但这会存在腔内信号探测难度较大、使用角度苛刻、调节难度较高等问题，需要一种结构新颖，原理简单，测量精度和测量稳定性都较高的光腔衰荡高反射率测量装置。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，包括：激光光源、指示光源、分光反射镜、平面反射镜、耦合镜、平面腔镜、第一高反腔镜、第一聚焦透镜、光电探测器、第二高反腔镜、第二聚焦透镜、CCD相机、计算机和待测样片；激光光源输出的不可见光经分光反射镜后与平面反射镜反射的可见指示光源同轴输出，输出光束注入到由平面腔镜、第一高反腔镜和第二高反腔镜组成的折叠式衰荡腔内，耦合镜反馈光与衰荡腔内的光场相干增强，衰荡腔透射出的光腔输出信号经第一聚焦透镜聚焦后被光电探测器采集，衰荡腔透射出的光斑分布模式经第二聚焦透镜聚焦被CCD相机监测，计算机通过初始腔和含待测样片的测试腔腔内损耗变化量对比，计算完成基于耦合光腔衰荡技术下的待测高反射率样片的反射率测量。
进一步地，所述的激光光源为窄线宽的连续波半导体激光器。
进一步地，所述的耦合镜可以是带压电陶瓷(PZT)的平面反射镜，或是变形反射镜，耦合镜的反射率在90％以上。
进一步地，所述的由平面腔镜、第一高反腔镜和第二高反腔镜组成的衰荡腔为折叠型稳定谐振腔。其中第一高反腔镜和第二高反腔镜至少有一个为平凹高反腔镜，衰荡腔中三个腔镜的反射率均在99.8％以上。
进一步地，所述的耦合镜和平面腔镜构成耦合腔。腔内光轴与耦合镜前表面垂直。
进一步地，所述的CCD相机用来监测衰荡腔透射光斑形态，确保衰荡腔内光斑模式为基横模，进而辅助调腔并确保初始腔和测试腔腔内的耦合效率一致。
本发明的原理是：在基于耦合光腔衰荡技术的高反射率测量装置中，耦合镜将耦合腔另一腔镜的透射光反注回衰荡腔内，调节耦合镜可使反馈光与衰荡腔内光场相干增强，等效于提高了耦合腔另一腔镜的反射率，从而达到降低腔损耗，提高高反射率测量精度的目的。同时引入CCD相机来监测衰荡腔腔内光斑模式作为辅助调腔手段，可有效减小因耦合镜位置变动引起的测量误差，确保初始腔和测试腔的耦合效率一致，进而保证高反射率测量的稳定性。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明通过在传统衰荡腔结构上增加一块耦合镜以降低衰荡腔腔内损耗，且引入CCD相机来监测衰荡腔腔内光斑模式作为辅助调腔手段，来实现对待测样片的高反射率精密测量过程。相比于传统光腔衰荡高反射率测量装置，本发明不改变传统衰荡腔腔内元器件，可有效降低衰荡腔腔内损耗，结构新颖，原理简单，调腔方便，测量精度高，测量稳定性好。
附图说明
图1为本发明一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置的结构示意图(弧形箭头所指的虚线结构为引入待测样片后的腔结构转换，即由初始腔转换为测试腔)，其中，1为激光光源，2为指示光源，3为分光反射镜，4为平面反射镜，5为耦合镜，6为平面腔镜，7为第一高反腔镜，8为第一聚焦透镜，9为光电探测器，10为第二高反腔镜，11为第二聚焦透镜，12为CCD相机，13为计算机，14为待测样片。
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，一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，包括：激光光源1、指示光源2、分光反射镜3、平面反射镜4、耦合镜5、平面腔镜6、第一高反腔镜7、第一聚焦透镜8、光电探测器9、第二高反腔镜10、第二聚焦透镜11、CCD相机12、计算机13和待测样片14；激光光源1输出的不可见光经分光反射镜3后与平面反射镜4反射的可见指示光源2同轴输出，输出光束注入到由平面腔镜6、第一高反腔镜7和第二高反腔镜10组成的折叠式衰荡腔内，耦合镜5反馈光与衰荡腔内的光场相干增强，衰荡腔透射出的光腔输出信号经第一聚焦透镜8聚焦后被光电探测器9采集，衰荡腔透射出的光斑分布模式经第二聚焦透镜11聚焦被CCD相机12监测，通过初始腔和含待测样片14的测试腔腔内损耗变化量对比，计算完成基于耦合光腔衰荡技术下的待测样片14的反射率测量。所述的激光光源1为窄线宽的连续波半导体激光器。所述的耦合镜5可以是带压电陶瓷(PZT)的平面反射镜，或是变形反射镜，耦合镜的反射率在90％以上。所述的由平面腔镜6、第一高反腔镜7和第二高反腔镜10组成的衰荡腔为折叠型稳定谐振腔。其中第一高反腔镜7和第二高反腔镜10至少有一个为平凹高反腔镜，衰荡腔中三个腔镜的反射率均在99.8％以上。所述的耦合镜5和平面腔镜6构成耦合腔。腔内光轴与耦合镜5前表面垂直。所述的CCD相机12用来监测衰荡腔透射光斑形态，确保衰荡腔内光斑模式为基横模，进而辅助调腔并确保初始腔和测试腔腔内的耦合效率一致。
本发明实施例的耦合光腔衰荡高反射率测量装置由激光光源1输出的不可见光经分光反射镜3后与平面反射镜4反射的可见指示光源2同轴输出，输出光束注入到由平面腔镜6、第一高反腔镜7和第二高反腔镜10组成的折叠式衰荡腔内，耦合镜5反馈光与衰荡腔内的光场相干增强，衰荡腔透射出的光腔输出信号经第一聚焦透镜8聚焦后被光电探测器9采集，衰荡腔透射出的光斑分布模式经第二聚焦透镜11聚焦被CCD相机12监测，通过初始腔和含待测样片14的测试腔腔内损耗变化量对比，计算完成基于耦合光腔衰荡技术下的待测高反射率样片14的反射率测量。
图1中的激光光源1为窄线宽的连续波半导体激光器，本实施例中采用中心波长为1064nm的连续半导体激光器(RGB Photonics)。
图1中的耦合镜5在本实施例中为带压电陶瓷(PZT)的平面反射镜(SIGMAKOKI)，反射率高于99.9％。
图1中的第一高反腔镜7和第二高反腔镜10在本实施例中均为凹面高反镜，反射率均在99.9％以上。凹面曲率半径均为1m。腔长为0.7m，满足稳定腔条件。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (6)
1.一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，其特征在于，包括：激光光源(1)、指示光源(2)、分光反射镜(3)、平面反射镜(4)、耦合镜(5)、平面腔镜(6)、第一高反腔镜(7)、第一聚焦透镜(8)、光电探测器(9)、第二高反腔镜(10)、第二聚焦透镜(11)、CCD相机(12)、计算机(13)和待测样片(14)；激光光源(1)输出的不可见光经分光反射镜(3)后与平面反射镜(4)反射的可见指示光源(2)同轴输出，输出光束注入到由平面腔镜(6)、第一高反腔镜(7)和第二高反腔镜(10)组成的折叠式衰荡腔内，耦合镜(5)反馈光与衰荡腔内的光场相干增强，衰荡腔透射出的光腔输出信号经第一聚焦透镜(8)聚焦后被光电探测器(9)采集，衰荡腔透射出的光斑分布模式经第二聚焦透镜(11)聚焦被CCD相机(12)监测，计算机(13)通过初始腔和含待测样片(14)的测试腔腔内损耗变化量对比，计算完成基于耦合光腔衰荡技术下的待测高反射率样片(14)的反射率测量。
2.根据权利要求1所述的一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，其特征在于：所述的激光光源(1)为窄线宽的连续波半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，其特征在于：所述的耦合镜(5)可以是带压电陶瓷(PZT)的平面反射镜，或是变形反射镜，耦合镜的反射率在90％以上。
4.根据权利要求1所述的一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，其特征在于：所述的由平面腔镜(6)、第一高反腔镜(7)和第二高反腔镜(10)组成的衰荡腔为折叠型稳定谐振腔，其中第一高反腔镜(7)和第二高反腔镜(10)至少有一个为平凹高反腔镜，衰荡腔中三个腔镜的反射率均在99.8％以上。
5.根据权利要求1所述的一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，其特征在于：所述的耦合镜(5)和平面腔镜(6)构成耦合腔，腔内光轴与耦合镜(5)前表面垂直。
6.根据权利要求1所述的一种耦合光腔衰荡高反射率测量装置，其特征在于：所述的CCD相机(12)用来监测衰荡腔透射光斑形态，确保衰荡腔内光斑模式为基横模，进而辅助调腔并确保初始腔和测试腔腔内的耦合效率一致。
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