基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量方法

摘要

本发明公开了基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量方法，属于对光学元件参数进行测量的技术领域。在测量衰荡时间确定高反射率的现有光腔衰荡技术中，利用半导体激光器的自混合效应，通过控制连续波半导体激光器的后向反馈光强度来提高激光功率到衰荡光腔的耦合效率，使光腔输出信号信噪比大大提高，从而提高了高反射率的测量精度和测量范围。控制后向反馈光强度使光腔输出信号幅值达到最大的方式包括：在半导体激光器和第一块腔镜之间插入线偏振片、衰减片、光隔离器、或可变光阑，或者调节第一块腔镜的俯仰，或者改变激光器和第一块腔镜的距离。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量光学元件参数的方法，特别地涉及一种改进的高反射率测量方法。

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T-和折叠腔衰荡时间T＜，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。中国专利申请号200610114363.3的发明专利“一种同时确定高反射腔镜和测试镜反射率的方法”在此基础上改进了数据处理方法，使其能够同时确定高反射腔镜和测试镜反射率。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。中国专利申请号200610165082.0的发明专利“高反镜反射率的测量方法”使连续激光沿衰荡腔光轴入射，利用干涉效应增强光腔衰荡信号，并当光腔衰荡信号幅值大于设定的阈值时触发关闭激光束，探测指数衰减信号并拟合得到腔镜和测试镜的反射率。该方法装置简单，精度高，但对整个系统的准直要求很高，且必须对腔镜进行精密调节。本发明在专利“高反镜反射率的测量方法”(申请号200610165082.0)的基础上，通过简单的机械装置或光学元器件来控制从第一块腔镜反射回激光器的后向反馈光光强，使半导体激光器输出光谱特性发生改变，大幅度提高激光束耦合进衰荡光腔的效率，使光腔输出信号中出现幅值很大的尖峰信号，从而在保证高精度、低成本的前提下，大大降低了对整个光学系统的准直要求和调节难度，并提高了高反射率的测量范围。

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、测量范围大且光学系统调节方便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：基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量方法，包括以下步骤：

(1)连续激光入射到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的直腔，控制第一块腔镜反射回激光器谐振腔的后向反馈光光强，使光腔输出信号中出现共振尖峰并使其峰值达到最大；

(2)当光腔输出信号中尖峰信号幅值高于设定的阈值时，触发关闭激光束，由直腔输出的衰荡信号拟合得到直腔衰荡时间并计算得到腔镜反射率；

(3)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，当折叠腔输出信号中尖峰信号幅值高于设定的阈值时触发关闭激光束，由折叠腔输出信号拟合得到折叠腔衰荡时间，并由折叠腔衰荡时间和直腔衰荡时间计算得到测试镜反射率。

所述后向反馈光的强度通过以下方式控制：

(1)在激光器和第一块腔镜之间垂直于光路插入线偏振片，在垂直于光路的平面内旋转线偏振片的角度，使光腔输出信号中尖峰信号幅值达到最大；

(2)在激光器和第一块腔镜之间插入光隔离器，使光腔输出信号中尖峰信号幅值达到最大；

(3)在激光器和第一块腔镜之间插入衰减强度渐变的中性密度滤光片或衰减片，并调节衰减强度，使光腔输出信号中尖峰信号幅值达到最大；

(4)在激光器和第一块腔镜之间插入光阑或者可变光阑，使光腔输出信号中尖峰信号幅值达到最大；

(5)调节第一块腔镜的俯仰，使光腔输出信号中尖峰信号幅值达到最大；

(6)调节半导体激光器与第一块腔镜之间沿光路方向的距离，使光腔输出信号中尖峰信号幅值达到最大。

所述连续激光由连续半导体激光器产生，其光强采用方波调制或者直流输入。

所述连续激光入射进光腔之前采用空间滤波和望远系统使激光横模与衰荡光腔本征横模匹配，或者直接入射进光腔。

所述的阈值由控制触发电路设定，根据光腔输出信号中共振尖峰的分布特征设定阈值在尖峰最大振幅的50％-99％范围。

所述的高反膜的反射率大于99％。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过以上简单的方法控制后向反馈光的强度，大幅度提高了激光束耦合进衰荡光腔的效率，使光腔输出信号中出现幅值很大的尖峰信号，大大降低了对整个光学系统的准直要求和调节难度。

(2)高反射率测量范围大。由于提高了激光束耦合进衰荡光腔的效率，使得测量更高反射率成为可能。

(3)精度高。本发明通过控制后向反馈光的强度提高了光腔耦合效率，使光腔输出信号振幅增大，信噪比提高，能高精度确定腔镜和待测镜的反射率。

附图说明

图1为本发明的一种直腔测量装置实施例的示意图；

图2为本发明的存在大振幅尖峰的光腔输出信号；

图3为本发明的触发电路关闭激光器后记录的指数衰减信号；

图4为本发明的一种折叠腔的实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的测量装置由光源1、可变光阑2、空间滤波和望远系统3、平凹高反镜4，5、会聚透镜6、探测器7、触发开关电路8、示波器或数据采集卡9和计算机10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或光电倍增管探测器。

光源1采用连续半导体激光器。可变光阑2用来控制后向反馈光的强度，也可采用线偏振片、衰减片或者光隔离器，或者调节第一块腔镜的俯仰，或者调节半导体激光器与第一块腔镜之间沿光路方向的距离，使光腔输出信号中尖峰信号幅值达到最大。空间滤波和望远系统3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。测量系统中也可以去除空间滤波和望远系统3，不经过模式匹配直接将激光入射进光腔。首先，由平凹高反镜4，5构成直腔进行测量。通过控制后向反馈光的强度，使光腔输出信号出现很多振幅非常大的尖峰，如图2所示。两块相同的平凹高反镜4、5，其凹面镀高反膜，反射率大于99％，凹面相对构成直腔谐振腔。连续激光束在谐振腔内多次反射后输出，经透镜6会聚后由探测器7接收。探测器7将光信号转换成电信号，并同时输出到触发开关电路8和示波器或数据采集卡9。然后，用触发开关电路8设定一个小于共振尖峰最大值的阈值，根据光腔输出信号中共振尖峰的分布特征设定阈值在尖峰最大振幅的50％-99％范围，并比较设定的阈值和探测器7输出信号振幅的大小。当尖峰信号振幅高于阈值时，触发开关电路8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8同时触发示波器或数据采集卡9记录关闭激光器后的指数衰减信号，如图3所示，并送入计算机10，由单指数衰减函数y＝A^*exp(-t/τ₁)+B拟合得到直腔衰荡时间τ₁，再由R＝exp(-L/cτ₁)或R＝1-L/cτ₁计算得到腔镜反射率R，c为光速，L为腔长。然后，保持腔长不变，加入高反射测试镜11后构成折叠腔，如图4所示，可测量任意反射率大于99％的平面高反镜的反射率。类似于直腔测量过程，在折叠腔情况时设定阈值为尖峰信号最大振幅的50％-99％范围，当探测器7输出的信号中尖峰信号振幅大于阈值时，触发关闭光源1并触发示波器或数据采集卡9记录折叠腔指数衰减信号，由计算机10按单指数衰减函数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。