CN1242516A - 一种反射镜高反射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种反射镜高反射率的测量方法,包括下述测量步骤:(1)以两个高反射镜组成稳定的光学谐振腔,激光脉冲从一端注入后,在腔镜之间来回反射形成振荡,测量衰荡寿命τ－;(2)保持腔长不变,把待测镜作为折叠镜引入上述直衰荡光腔,形成稳定的折叠衰荡光腔,测出衰荡时间τ< ;(3)由下述公式计算得到待测镜反射率R_X∶R_X=exp[L/C(1/τ-－;1/τ< )];其中,L腔长,C光速。本发明测试过程简单,测量精度高。

Description

一种反射镜高反射率的测量方法

本发明涉及光学元件参数的测量，特别提供了一种反射镜的高反射率高精度测量方法。

随着大型激光系统功率的不断提高，对高反射率反射镜的需求也日益迫切。谐振腔高反镜的反射率低，已成为提高输出功率、改进光束质量的瓶颈问题。常用的如分光光度计光透射式反射率测量仪、白光池(多次反射)反射率测量仪等，基于光强测量；反射镜反射率越高，测量精度越低，最多只能有三位有效数字，也不能在反射镜工作气氛下检测。反射镜的反射率等于镜面反射光强I₁与入射光强I₀之比。传统检测反射率的分光光度计方法，是先测出透射光强I₂与I₀，得到镜片的透射率T，然后由关系R＝1-T，求出镜片的反射率R。对于高反射率镜片，透视光强I₂很小。对R＝99.9％……99.99％，I₀与I₂相差成千上万倍，测量精度不高。而且，在这种情况下，反射镜基底材料以及反射镜周围的气体的散射和吸收损耗都变得不可忽略，所以，分光光度计通过测量透射来测量高反镜反射率误差很大。但直接测量反射，I₀与I₁相差大小，也测不准，如用白光池(多次反射)方法，它是测量入射光强I₀及在两平行放置的反射镜之间经过一定次数(几十～几百次)反射后的出射光强，由它们的比值导出镜片反射率。该方法结构复杂，调试麻烦，更为重要的是，该方法仍是对光强进行直接测量，较之分光光度计方法，测量精度提高有限。

本发明的目的在于提供一种反射镜高反射率的测量方法，其测试过程简单，测量精度高。

本发明提供了一种反射镜高反射率的测量方法，包括下述测量步骤：

(1)以两个高反射镜组成稳定的光学谐振腔，激光脉冲从一端注入后，在腔镜之间来回反射形成振荡，测量衰荡寿命τ_，见附图1；

(2)保持腔长不变，把待测镜作为折叠镜引入上述直衰荡光腔，形成稳定的折叠衰荡光腔，测出衰荡时间τ_＜，见附图2；

(3)由下述公式计算得到待测镜反射率R_x：

   R_x＝exp[L/C(1/τ--1/τ_＜)]

其中，L腔长，C光速。

此外，在本发明中所形成折叠腔夹角在5°～90°之间。

本发明是通过检测复合衰荡光腔的衰荡寿命测量高反射镜的实际反射率的原理如下：

两个高反镜组成稳定光学谐振腔，激光脉冲从一端注入后，在腔镜之间来回反射，形成振荡。激光强度因腔镜透射和腔内介质吸收，散射损耗而以指数形式衰减

          I₂＝βI₀exp(-t/τ_)                    (1)衰荡寿命为 $\mathrm{\&tau;}\_=\frac{L}{c(\mathrm{\&alpha;L}-\mathrm{In}{R}_1{R}_2)}---\left(2\right)$

保持腔长不变，把待测镜作为折叠镜引入衰荡光腔，则： ${\mathrm{\&tau;}}_{<}=\frac{2L}{c[\mathrm{\&alpha;L}-\mathrm{In}{R}_1{R}_2-\mathrm{In}{R}_x]}---\left(3\right)$

当我们把直腔测得的结果与折叠腔的结果相结合，就可以得到 $R_x=\exp \left[\frac{L}{c}(\frac{1}{\mathrm{\&tau;}\_}-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_{<}})\right]---\left(4\right)$ 待测镜反射率R_x由光速c、腔长L、以及直型腔和折叠型腔衰荡寿命决定。

本发明首先测量没有被测镜时，由R₁、R₂组成的直腔的衰荡时间τ-，再加入被测镜，根据需要的入射角形成从近零度(～5°)到近90°(～85°)的折叠腔，同时保持腔长不变，并形成稳定腔，测出衰荡时间τ_＜，最终由公式(4)得到被测镜的反射率。本发明具有以下特点：

测量精度高：反射镜的反射率越高，脉冲激光在腔镜之间来回反射的次数就越多。反射率为99.99％时，来回反射次数可达上万次。反射的次数越多，衰荡寿命越大；衰荡寿命越大，对其测量精度越高。所以，本发明对反射率的测量精度较传统方法成数量级提高。目前，本实验腔镜反射率测量精度已达10^-5。

不受环境因素影响：因为采用复合衰荡光腔，避免了腔内介质吸收、散射等因素的影响。而且，衰荡寿命的测量是对光强衰荡曲线拟合得到，避免了激光源光强涨落的影响。

可测量平面、凹面及凸面高反镜：若能组成包括待测镜的稳定谐振腔，本方法即可测量待测镜的反镜率。而选择适当曲率的腔镜，可与任意曲率的待测镜组成稳定谐振腔。

可测量任意基底材料的高反镜：因为待测镜作为折叠镜，本方法对其基底材料的光学性质无任何要求。可测量那些在其工作波段不透明的反射镜，比如金属镜、某些半导体镜等。

可测量紫外、可见、红外等任何波段的高反镜：只要有对应的光源和光信号控测器，本方法适用于任何波段的测量。

可测量任何反射角度及偏振方向的反射率：改变折叠腔的折叠角度，即可测量对应反射角度的反射镜；改变控测器前检偏器及入射光的偏振方向，即可测量对应偏振方向的反射率。

可以有1mm的镜面空间分辨率：衰荡光腔中，端镜上振荡光束的直径决定本方法对待测镜反射率测量时镜面空间分辨率的大小。

光谱分辨率可达0.1cm^-1：本方法可使用线宽极窄的激光光源，只是考虑到激光相于长度的限制，对光源的线宽有所限制。

可测量透射损耗：将待测透射损耗的镜片或样品放在衰荡光腔内，即可测得其透射损耗。

总之，本发明创造性地将镜片反射率测量转化为对稳定光学谐振腔衰荡寿命的测量。

使用复合衰荡光腔，所测反射率既包含了腔内介质对反射镜面的影响，又消除了腔内介质损耗以及脉冲激光器输出涨落严重的影响；避免了分光光度计或白光池(多次反射)等反射率测量仪从大光强中提取微小信号的弊端。待测反射镜的反射率越高，测量精度就越高，极大地提高了高反镜实际反射率的测量精度。可以1.5mm镜面空间分辨率和0.1cm^-1光谱分辨率测量任何波段、任何角度平面、凹面及凸面高反镜的反射率，并可测量透射损耗。

下面通过实例详述本发明。

附图1为直谐振腔光路示意图。

附图2为折叠谐振腔光路示意图。

附图3为45°耦合镜反射率随波长变化曲线。

实施例1  氧碘化学激光器腔镜检测

这个波段的测量任务是为大功率氧碘化学激光器(激光波长1.315μm)服务。1.315μm波长激光光源是OPO激光器(Sunlite，输出能量3～10mJ/pulse，脉宽5～10ns，Contiuum)；1.315μm处于大气窗口，激光脉冲可以在两面高反镜之间建立振荡。两凹面高反镜(中心波长为1.315μm、曲率半径1m，国产)为端镜组成衰荡光腔，控测器是Ge PIN光电二极管探测器(GT105，国产)；信号记录采用数字存储示波器(TDS380，400M，2Gs/s，Tektronix)；计算机进行后序数据处理。首先在不同腔长下进行直型衰荡腔的测量。测量结果列在表1中，相对误差为10^-5量级，表明测量精度较高，然后对待测镜进行测量，测量结果列在表2中。

表1  直型光腔测量数据            表2  折叠光腔测量数据L(m)    τ_o(ns) R(％)  ΔR/R   镜片编号    反射角度    L(m)   τ_o(ns)  τ_x(ns)   R_x(％)0.878   581.7    99.498         凹镜(13m)    ＜3°               0.975    647.7     574.8     99.9360.975   647.7    99.499 1×10^-5凸镜(7m)     ＜3°               0.975    647.7     576.7     99.938

实施例2  45°激光耦合镜检测

45°激光耦合镜(Wex Bean Combiner，QUANTA RAY)反射范围540～640nm，激光是由准分子激光器(LPX200，Lambda Physik)泵浦的脉冲染料激光器(LPD3000，Lambda Physik)，激光线宽0.2cm^-1。两凹面高反镜(10CV0030F，中心波长为620nm、曲率半径1m，Newport)为端镜组成衰荡光腔，腔长90cm。光腔内反复用高纯氮气冲洗，以清除腔内的水汽等吸收气体。探测器是光电倍增管，信号送入数字化仪(Model 7612D，Tektronix)；数字化的衰荡波形通过GPIB接口板(AT-GPIB/TNT(PnP)，80个波形/s)传送到计算机(Pentium 133 PC)中处理。

图2是测定的45°激光耦合镜反射率曲线。在625nm处腔镜反射率为99.80％，随着波长的红移，反射率逐渐降低。在630nm处为99.779(4)％。

比较例

氧碘化学激光器腔镜    分光光度计(UV4001，日立)  本发明

 凹镜(13米)反射率               ＞99％           99.936％

 凸镜(7米)反射率                ＞99％           99.938％

Claims (2)

1.一种反射镜高反射率的测量方法，包括下述测量步骤：

(1)以两个高反射镜组成稳定的光学谐振腔，激光脉冲从一端注入后，在腔镜之间来回反射形成振荡，测量衰荡寿命τ_；

(2)保持腔长不变，把待测镜作为折叠镜引入上述直衰荡光腔，形成稳定的折叠衰荡光腔，测出衰荡时间τ_＜；

(3)由下述公式计算得到待测镜反射率R_x：

R_x＝exp[L/C(1/τ_-1/τ_＜)]

其中，L腔长，C光速。

2.按照权利要求1所述反射镜高反射率的测量方法，其特征在于：所形成折叠腔夹角在5°～90°之间。

Images