CN1963435B - 高反镜反射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高反镜反射率的测量方法，属于对光学元件参数进行测量的技术领域。包括以下步骤：1)由两块相同的凹面镀高反膜的高反镜凹面相对构成直腔，将连续激光入射到构成的稳定谐振腔或共焦腔，当光腔输出信号幅值高于设定的阈值时，关闭激光束，由指数衰减信号拟合得到直腔衰荡时间τ₁，计算得到腔镜反射率R；2)保持腔长不变，在两块相同的平凹高反射腔镜之间加入高反射测试镜构成折叠腔，当折叠腔输出信号幅值大于阈值时关闭激光束，由指数衰减信号拟合得到折叠腔衰荡时间τ₂，计算测试镜反射率Rx。本发明具有精度高、装置简单、成本低等优点。

Description

高反镜反射率测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件参数的测量方法，特别地涉及一种高反镜反射率的测量方法。

背景技术

高反射率光学元件在激光系统中的广泛使用迫切要求精确测量高反射率，而传统方法已无法满足高反射率的测量精度要求。中国专利申请号98114152.8，公开号CN1242516A，公开日期为2000年1月26日的发明专利公开了“一种反射镜高反射率的测量方法”，采用脉冲激光系统作光源，入射到两块高反镜组成的光学谐振腔，接收光腔指数衰减信号，分别确定直腔衰荡时间τ_-和折叠腔衰荡时间τ_＜，计算得到待测镜的反射率R。该方法的缺点是：由于脉冲激光光束质量差、衰荡腔内存在模式竞争等因素，测量精度受到限制；而且，由于所使用的脉冲激光系统造价高，不利于推广使用。中国专利申请号200610011254.9，公开号CN1804572A，公开日期为2006年7月19日的发明专利提供了“一种高反镜反射率的测量方法”；2006年9月出版的《中国激光》，龚元，李斌成，第33卷第9期1247-1250页，公开了一种“连续激光光腔衰荡法精确测量高反射率”的方法，它们都提出了一种以连续半导体激光器作光源的高反射率测量方法，用方波调制连续激光，采用锁相方式探测输出信号的振幅衰减和相位延迟，从而得到光腔衰荡时间和高反镜反射率。该方法装置简单、成本低，但由于锁相方式探测要求稳定的光腔输出信号，干涉效应会引起信号振幅的较大波动，所以必须采用离轴入射以避免腔内的干涉效应。离轴入射是指激光束入射方向与衰荡腔的光轴不共线。当腔镜反射率提高到一定程度后，光腔输出信号振幅较小，信噪比下降，使得装置调节比较困难，而且限制了测量精度。干涉效应会使激光功率在光腔内迅速增加，同时光腔输出信号振幅也大大增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种测量精度高、装置简单且成本低廉的高反镜反射率测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高反镜反射率测量方法，包括以下步骤：

(1)两块相同的平凹高反射腔镜，凹面镀高反膜且凹面相对构成直腔，将连续激光入射到这样构成的稳定谐振腔或共焦腔，当光腔输出信号幅值高于设定的阈值V_th1时，触发关闭激光束，此后光腔输出信号呈指数衰减，由指数衰减信号拟合得到直腔衰荡时间τ₁，再计算得到腔镜反射率R，或者直接拟合得到腔镜反射率R；

(2)保持腔长不变，在两块相同的平凹高反射腔镜之间加入高反射测试镜构成折叠腔，当折叠腔输出信号幅值大于阈值V_th2时触发关闭激光束，由指数衰减信号拟合得到折叠腔衰荡时间τ₂，再计算测试镜反射率Rx，或者直接拟合得到测试镜反射率Rx。

所述步骤(1)中的连续激光的谱宽为0.001nm至50nm。

所述连续激光采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器产生。

所述步骤(2)中高反射测试镜的测试角度为1-85度。

所述步骤(1)和(2)中的阈值V_th1和V_th2由触发开关电路设定或者由示波器的触发电平设定，且可以调节。

所述步骤(1)中的阈值V_th1与所述步骤(2)中的阈值V_th2相等或者不相等。

所述步骤(1)和(2)中的指数衰减信号由数字示波器记录或者由数据采集卡直接采集并由计算机存储。

所述步骤(1)和(2)中触发关闭激光束由以下任一方式实现：

a.采用连续半导体激光器作光源，当光腔输出信号高于触发开关电路设定的阈值时，快速关闭半导体激光器的激励电流或电压；

b.采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作光源，当光腔输出信号高于设定的阈值时，在激光器和输入腔镜之间采用快速光开关关闭激光束；

c.采用方波调制激光驱动电源，或者采用斩波器、声光或电光调制器调制激光束，当光腔输出信号高于设定的阈值时，利用方波下降沿快速关闭激光束。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)精度高。本发明利用了腔内的干涉效应，使光腔输出信号振幅大，信噪比高，能高精度确定腔镜和待测镜的反射率。

(2)装置简单，成本低。由于可采用半导体激光器，降低了成本，简化了测量装置。

本发明中，激光束沿衰荡腔光轴入射，增强了腔内的干涉效应，使光腔输出信号比锁相探测方式下的输出信号大一到两个量级，大大提高了信噪比和测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的一种直腔测量装置实施例的示意图，在该实施例中，采用改变半导体激光器的激励电流或电压快速关闭激光束；

图2为本发明的一种折叠腔的实施例的结构示意图；

图3为本发明的另一种直腔测量装置实施例的示意图，在该实施例中，采用快速光开关关闭激光束。

具体实施方式

如图1所示，本发明的测量装置由光源1、空间滤波和望远系统2、平凹高反镜3，4、会聚透镜5、探测器6、触发开关电路7、示波器8和计算机9组成。图中的粗线表示光路，细线表示信号线相连。其中探测器6一般采用光电二极管探测器。

光源1采用宽谱连续半导体激光器，其谱宽在0.001nm至50nm之间，使激光谱内覆盖多个光腔本征模式。空间滤波和望远系统2由两块透镜和一针孔组成，用于将光源1输出的激光束整形成基模并与光腔模式匹配。两块相同的平凹高反镜3、4，其凹面镀高反膜，反射率大于99％，凹面相对构成直腔谐振腔。直腔谐振腔可分为稳定谐振腔和共焦腔。稳定谐振腔腔长L满足0＜L＜2r且L≠r，共焦腔腔长L满足L＝r，r为腔镜凹面的曲率半径。连续激光束在谐振腔内多次反射后输出，经透镜5会聚后由探测器6接收。探测器6将光信号转换成电信号，并同时输出到触发开关电路7和示波器8。触发开关电路7用来比较设定的阈值和探测器6输出信号振幅的大小。当其输出高于阈V_th1值时，触发开关电路7通过改变半导体激光器的激励电流或电压快速关闭激光输出，从而得到指数衰减信号。触发开关电路7同时触发示波器8记录触发关闭激光器后的指数衰减信号，并送入计算机9进行数据处理。计算机9拟合指数衰减信号得到直腔衰荡时间τ₁，拟合由单指数衰减函数y＝A*exp(-t/τ₁)+B来完成；并计算得到腔镜反射率R，计算腔镜反射率由公式R＝exp(-L/cτ₁)或R＝1-L/cτ₁来完成，其中c为光速，L为腔长。另外，也可以由上述公式的组成直接拟合得到腔镜反射率R。其中阈值V_th1可以由触发开关电路设定，也可以由示波器的触发电平设定，并且可以根据需要进行调节。

如图2所示，加入高反射测试镜10后构成折叠腔，可测量任意反射率大于99％的平面高反镜的反射率。重复上述过程，当探测器6输出的信号振幅大于阈值V_th2时，触发关闭光源1并触发示波器8记录折叠腔指数衰减信号，由计算机9拟合得到折叠腔衰荡时间τ₂，再计算得到测试镜反射率；或者直接拟合得到测试镜反射率Rx。其中，由单指数衰减函数y＝A*exp(-t/τ₂)+B拟合得到直腔衰荡时间τ₂，再由R_x＝exp(L/cτ₁-L/cτ₂)计算得到测试镜反射率Rx。本发明中最小测试角度由腔镜直径与腔长的比值决定，测试角度范围为1-85度，测试角度是指激光束相对于测试镜的入射角。前面提及的指数衰减信号可以由数字示波器记录，也可由数据采集卡直接采集并由计算机存储；而阈值V_th2可以由触发开关电路设定，也可以由示波器的触发电平设定，并且可以根据需要进行调节。该阈值V_th2既可以与V_th2相等，也可以与V_th2不相等。

本发明中触发关闭激光束也可以通过以下方式实现：如图3所示，光源1采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器，在激光器和输入腔镜之间插入快速光开关11，该快速光开关11与计算机9相连，受计算机9控制。当光腔输出信号大于触发开关电路7设定的阈值时，触发光开关11关闭激光束。

Claims (9)

1.高反镜反射率测量方法，包括以下步骤：

(1)两块相同的平凹高反射腔镜，凹面镀高反膜且凹面相对构成直腔，将连续激光沿直腔光轴同轴入射到这样构成的稳定谐振腔或共焦腔，增强了腔内干涉效应，当光腔输出信号幅值高于设定的阈值V_th1时，触发关闭激光，此后光腔输出信号呈指数衰减，由指数衰减信号拟合得到直腔衰荡时间τ₁，再计算得到腔镜反射率R，或者直接拟合得到腔镜反射率R；

(2)保持腔长不变，在两块相同的平凹高反射腔镜之间加入高反射测试镜构成折叠腔，当折叠腔输出信号幅值大于阈值V_th2时触发关闭激光，由指数衰减信号拟合得到折叠腔衰荡时间τ₂，再计算测试镜反射率Rx，或者直接拟合得到测试镜反射率Rx。

2.根据权利要求1所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的连续激光的谱宽为0.001nm至50nm。

3.根据权利要求2所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述连续激光采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器产生。

4.根据权利要求1所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中激光相对于高反射测试镜的入射角为1-85度。

5.根据权利要求1所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(1)和(2)中的阈值V_th1和V_th2由触发开关电路设定或者由示波器的触发电平设定，且可以调节。

6.根据权利要求5所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的阈值V_th1与所述步骤(2)中的阈值V_th2相等或者不相等。

7.根据权利要求1所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(1)和(2)中的指数衰减信号由数字示波器记录。

8.根据权利要求1所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(1)和(2)中的指数衰减信号由数据采集卡采集并由计算机存储。

9.根据权利要求1所述的高反镜反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(1)和(2)中触发关闭激光由以下任一方式实现：

a.采用连续半导体激光器作光源，当光腔输出信号高于触发开关电路设定的阈值时，快速关闭半导体激光器的激励电流或电压；

b.采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或气体激光器作光源，当光腔输出信号高于设定的阈值时，在激光器和输入腔镜之间采用快速光开关关闭激光；

c.采用方波调制激光驱动电源，或者采用斩波器、声光或电光调制器调制激光，当光腔输出信号高于设定的阈值时，利用方波下降沿快速关闭激光。

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