CN115200842A - 一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，该方法包括：搭建衰荡腔，根据角谱传输理论和多波长干涉理论建立衰荡腔内激光传输模型，构建不同腔镜失调量下的腔损耗分布状态模型库，实验得到特定腔镜未知失调量下的腔损耗分布，通过比对模型数据库判定腔镜失调状态，输出腔镜失调结果。本方法通过建立衰荡腔模型，可得到各种腔镜失调状态下的腔损耗分布模型数据库，筛选出与实际衰荡腔系统情况相符的特定模型，快速判断腔镜失调类型，输出腔镜失调判定结果，方便进行针对性的重新调整失调腔镜，得到近乎无相对失调的衰荡腔系统，便于提高基于衰荡腔的实验测量精度，具有方法新颖、腔镜失调状态可准确判断、腔镜相对失调量可量化等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光腔衰荡技术领域，具体涉及一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法。
背景技术
光腔衰荡(Cavity ring-down，CRD)技术是一种基于高精细度谐振腔(衰荡腔)的高灵敏度探测技术，已广泛应用于气体吸收光谱测量、高反射率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。(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；Abhijit Maity，Sanchi Maithani，ManikPradhan，“Cavity ring-down spectroscopy：recent technological advances andapplications”，Molecular and Laser Spectroscopy，2020，83-120)。以光腔衰荡高反射率测量为例，其基本原理为：首先获取初始衰荡腔(初始腔)的腔损耗大小，然后将待测样片引入衰荡腔内构成测试衰荡腔(测试腔)，最后根据衰荡腔内腔损耗的相对变化量即可解算出待测样片的反射率大小。在此过程中，初始腔和测试腔不可避免的相对失调会引入额外的损耗误差，对测量结果影响显著。因此，解决好腔相对失调问题是光腔衰荡高反射率测量技术稳定性和可靠性的关键因素之一。目前已有学者对光腔衰荡技术中腔失调及模式失配等对测量结果的影响进行过相关研究(易亨瑜，吕百达，胡晓阳等，腔长失调对光腔衰荡法测量精度的影响，《强激光与粒子束》，2004，16(8)，993-996；谭中奇，龙兴武，模式失配对连续波腔衰荡技术测量的影响，《中国激光》，2007，34(7)：962-966；崔立红，赵维宁，颜昌翔，高斯光束与谐振腔基模模式光路谐振匹配的分析与校准，《物理学报》，2015，64(22)：224211)，也提出过一些调腔判据和方法，包括衰荡腔透射信号峰值判据、衰荡腔透射脉冲能量包络判据和双传感器调腔方法等，但鲜有报道衰荡腔模型的建立以及衰荡腔腔镜失调状态的分析研究，而衰荡腔模型研究对于认识光腔衰荡技术的理论本质极为重要，腔镜失调状态的准确判断也是解决好衰荡腔腔相对失调问题的前提和关键。
因此，本发明根据角谱传输理论和多波长干涉理论建立衰荡腔内激光传输模型，构建不同腔镜失调量下的腔损耗分布状态模型库，然后在搭建衰荡腔的基础上，实验得到特定腔镜未知失调量下的腔损耗分布，通过比对模型数据库判定腔镜失调状态，快速判断腔镜失调类型，输出腔镜失调判定结果，方便进行针对性的重新调整失调腔镜，得到近乎无相对失调的衰荡腔系统，便于提高基于衰荡腔的实验测量精度，具有方法新颖、腔镜失调状态可准确监测、腔镜失调可量化等优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对光腔衰荡技术中腔镜失调状态未知的问题，提供一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，搭建衰荡腔，建立衰荡腔内激光传输模型，构建不同腔镜失调量下的腔损耗分布状态模型数据库，实验得到特定腔镜未知失调量下的腔损耗分布，通过比对模型数据库判断腔镜失调状态，输出腔镜失调判定结果。
具体实现步骤如下：
步骤(1)、搭建衰荡腔，建立衰荡腔内激光传输模型。
衰荡腔为稳定无源谐振腔，其结构为直型腔或折叠腔，采用的光腔衰荡技术包括脉冲光腔衰荡技术、窄谱连续光腔衰荡技术、光反馈光腔衰荡技术和相移光腔衰荡技术。
衰荡腔模型建立的理论基础包括角谱传输理论和多波长干涉理论。
步骤(2)、基于衰荡腔内激光传输模型，构建不同腔镜失调量下的腔损耗分布状态模型数据库。
不同腔镜失调量为衰荡腔两个端镜在x轴和y轴两个方向的腔镜倾斜量和腔轴偏移量。
腔损耗为直接或间接反映腔损耗的相关表征参数，包括腔损耗大小、光腔衰荡时间和衰荡腔透射光斑形态。
步骤(3)、实验得到特定腔镜未知失调量下的腔损耗分布，从模型数据库中筛选与实际腔镜失调状态相符的特定模型，输出腔镜失调判定结果。
筛选特定模型的方法包括模板匹配法、基于神经网络的图像识别方法和基于小波矩的图像识别方法。
腔镜失调判定结果包括腔镜失调类型、腔镜失调方向、腔镜相对失调量。
本发明的原理是：搭建衰荡腔，基于角谱传输理论和多波长干涉理论建立衰荡腔内激光传输模型，构建各种腔镜失调状态下的腔损耗分布模型数据库，筛选出与实际腔镜失调状态相符的特定模型，输出腔镜失调结果，完成对腔镜失调状态的判定。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本方法通过建立衰荡腔模型，构建不同腔镜失调量下的腔损耗分布状态模型库，对特定腔镜失调状态进行判定，便于有针对性的重新调腔，减小衰荡腔相对失调量，提高基于衰荡腔实验的测量精度和可靠度，具有方法新颖，适用性较好，腔镜失调状态可判断，腔镜失调方向可判定，腔镜相对失调量可量化等优点。
附图说明
图1为本发明的三腔镜折叠衰荡腔结构示意图；
图2为本发明的一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法的流程图。
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，本发明的一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法的具体实施方法如下：
步骤(1)、搭建三腔镜折叠衰荡腔，基于角谱传输理论和多波长干涉理论，建立衰荡腔内激光传输模型。
如图1所示，激光光源采用中心波长为1064nm的窄线宽连续半导体激光器(RGBPhotonics)，采用的光腔衰荡技术为光反馈光腔衰荡技术(OF-CRD)。衰荡腔腔镜M1、M2均为曲率半径均约1m的平凹反射镜。衰荡腔腔长为0.7m，满足稳定腔条件。M1、M2均安装在四维可调镜架上，可进行水平竖直方向的倾斜调腔和上下左右方向的平移调腔。激光光源输出的不可见光经分光反射镜M4后与平面反射镜M5反射的可见指示光源同轴输出，输出光束经衰减片衰减后注入到由平面腔镜M3、第一高反腔镜M1和第二高反腔镜M2组成的折叠式衰荡腔内。第二高反腔镜M2的透射光斑形态经第二聚焦透镜L2聚焦后由CCD相机进行监测，第一高反腔镜M1的透射光束经第一聚焦透镜L1聚焦后由光电探测器(PD)接收，采集的衰荡信号传输到计算机(PC)进行分析处理。
步骤(2)、基于衰荡腔内激光传输模型，构建不同腔镜失调量下的腔损耗分布状态模型数据库。本实施例中，设置第一高反腔镜M1、第二高反腔镜M2在x轴和y轴即水平竖直两个方向的腔镜倾斜失调角度范围为±0.5°，仿真建立一个第一高反腔镜M1不同失调量下对应的第二高反腔镜M2对腔损耗扫描分布状态的模型数据库。以直型腔结构简化建立衰荡腔内激光传输模型，在模型中，入射光波长λ＝1064nm，第一高反腔镜M1、第二高反腔镜M2的反射率R1＝R2＝99.9％，第一高反腔镜M1、第二高反腔镜M2的曲率半径r1＝r2＝1m，腔长L＝0.7m，第二高反腔镜M2水平和竖直方向的倾斜失调角度分别记为α和β(α，β∈[-0.5°，0.5°])，第一高反腔镜M1为固定的倾斜失调θx和θy。假定某时刻到达第二高反腔镜M2的光场分布为En-1，则经过一次腔内往返传输后，根据角谱传播理论可计算得到下一次到达第二高反腔镜M2的光场分布En。计算过程如下：
式中：En'表示到达腔镜M1的光场分布，F表示傅里叶变换，F-1表示傅里叶反变换，H表示角谱传递函数，fx、fy为频域坐标，T1、T2分别表示第一高反腔镜M1、第二高反腔镜M2的镜面光学调制函数。角谱传递函数和镜面调制函数定义如下：
式中：k＝2π/λ表示波数。此时光电探测器PD接收到的光场分布Enout可近似描述为：
Enout(x,y)∝En(x,y) (6)
考虑到探测器靶面的有限接收范围，则其接收到的衰荡腔透射光强In为：
式中：W，H分别为探测器靶面宽高，
为Enout的共轭光场。探测器采集到衰荡腔透射光强遵循e指数衰减规律，可表示为：
式中：I表示衰荡腔透射光强；I0表示t＝0时刻的透射光强；t为时间；τ为光腔衰荡时间，定义为透射光强从I0衰减到I0的1/e所需的时间。光腔衰荡时间与腔损耗的关系可表示为：
式中：δ为腔损耗，L为腔长，c为光速。由公式(1)到(9)即可建立起第一高反腔镜M1倾斜失调量θx、θy和腔损耗δ之间的映射关系，得到一个第一高反腔镜M1固定失调量下对应的第二高反腔镜M2对腔损耗扫描分布状态的模型，然后将θx、θy同样设置在±0.5°范围内，即可得到一个第一高反腔镜M1不同失调量下对应的第二高反腔镜M2对腔损耗扫描分布状态的模型数据库。
步骤(3)、实验得到腔镜M1未知失调量下的腔损耗分布，从模型数据库中筛选与腔镜M1失调状态相符的特定模型，输出腔镜M1的失调方向及倾斜相对失调量。
筛选特定模型的方法包括模板匹配法、基于神经网络的图像识别方法和基于小波矩的图像识别方法。
腔镜失调判定结果包括腔镜失调类型、腔镜失调方向、腔镜相对失调量。
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 (6)
1.一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、搭建衰荡腔，建立衰荡腔内激光传输模型；
步骤(2)、基于衰荡腔内激光传输模型，构建不同腔镜失调量下的腔损耗分布状态模型数据库；
步骤(3)、实验得到特定腔镜未知失调量下的腔损耗分布，从模型数据库中筛选与实际腔镜失调状态相符的特定模型，输出腔镜失调判定结果；所述的特定模型的方法包括模板匹配法、基于神经网络的图像识别方法和基于小波矩的图像识别方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，其特征在于：步骤(1)所述的衰荡腔为稳定无源谐振腔，其结构为直型腔或折叠腔，采用的光腔衰荡技术包括脉冲光腔衰荡技术、窄谱连续光腔衰荡技术、光反馈光腔衰荡技术和相移光腔衰荡技术。
3.根据权利要求1所述的一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，其特征在于：步骤(1)所述的衰荡腔模型建立的理论基础包括角谱传输理论和多波长干涉理论。
4.根据权利要求1所述的一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，其特征在于：步骤(2)所述的不同腔镜失调量为衰荡腔两个端镜在x轴和y轴两个方向的腔镜倾斜量和腔轴偏移量。
5.根据权利要求1所述的一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，其特征在于：步骤(2)所述的腔损耗为直接或间接反映腔损耗的相关表征参数，包括腔损耗大小、光腔衰荡时间和衰荡腔透射光斑形态。
6.根据权利要求1所述的一种基于衰荡腔模型的腔镜失调判定方法，其特征在于：步骤(3)所述的腔镜失调判定结果包括腔镜失调类型、腔镜失调方向、腔镜相对失调量。
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