快速精确测定超高反射率镜片的方法

摘要

本发明涉及光学元件参数的测量，具体为一种快速精确测定超高反射率镜片的方法。解决现有测定超高反射率镜片的方法测量精度相对较低且调试费时费力的问题。以下列步骤实现：(1)构建光学腔及附属部件；(2)将参考光源和测量光源在空间上重合；(3)调节标定动片；(4)精确调节光学腔的光路闭合程度；(5)微调匹配透镜位置，判定基横模，并使激光光源基横模与待测光学腔的基横模高效匹配；(6)通过特征时间I(t)＝I0exp(－tcL/2d)拟合即可得到待测腔的总损耗L。本发明引入可见光源为参考光大大减小了腔的调节难度。该方法能批量测量和筛选高品质光学镜片。本发明所述方法的测定精确度高于5×10－7。

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件参数的测量，具体为一种快速精确测定超高反射率镜片的方法。

背景技术

超高反射率(超低损耗)光学镜片由于其损耗极低在现代激光技术，特别是光学精密测量、光学超灵敏分析、光谱学和天文观测系统等许多方面充当着极其重要的角色。而由于其加工技术难度高和在使用和存放的过程中又极易受到不可逆转的反射率下降，比如镜片反射膜的划伤等，精确测量超高反射率镜片的反射率对于镜片的生产商和使用者都具有极其重要的意义，随着材料和镀膜技术的进步和极端条件的要求，反射率在99.9999％(对应损耗在1ppm)的光学镜片已经商用化，但国内还没有相关镀膜公司能生产如此高指标的″超镜”。而能否精确测量1ppm量级的损耗将直接或间接的影响我国镜片镀膜水平的提高。公开号为CN1963435A的中国发明专利“高反镜反射率测量方法”和发表在刊物《中国激光》2007年第6期857-860页题为“宽谱连续波复合衰荡光腔技术测量高反射率”的论文都基于腔干涉效应的信号触发光开关的方法实现镜片的反射率测量，但由于其损耗精确度只有10^-5量级而不能测量超低损耗镜片；而且该方法需分别构建直腔和折叠腔，测量过程复杂。影响测量精确度的关键问题是不能保证测量信号为光学腔的基横模。而超高精细度光学腔的高阶模的衍射损耗比基横模大40％左右(参见文献D.Z.Anderson，J.C.Frish，C.S.Masser：Appl.Opt.23，1238(1984))，所以当光学腔内有多个模式共存时，如不能正确判断和测量光学腔基横模，测量系统误差将增大。这就要求在测量中必须有一种行之有效的方法以最便捷的方式来实现激光光源基横模与待测光学腔的基横模高效匹配(即降低和减小待测光学腔的高阶模)并正确判断光学腔基横模，从而提高测量的精确度。

而激光光源基横模与待测光学腔的基横模是否高效匹配与待测光学腔入射激光的特性和待测光学腔中两镜子的光路闭合精度(即两镜子是否精确对准)密切相关。待测光学腔入射激光的特性通常是通过调节待测光学腔前部的匹配透镜的位置或采用其它技术手段实现的。现有技术在进行待测光学腔的匹配调节时，由于缺乏精确的待测光学腔中两镜子光路闭合精度的测量和调节手段，无法进行光路闭合程度的精确调节，甚至因此而忽略光路闭合精度的调节，而只依靠待测光学腔入射激光特性的调节，这样不但调节过程费时费力，而且很难做到待测光学腔的基横模高效匹配。

公开号为CN101055224的中国发明专利的“基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量方法”声称通过采用空间滤波和望远镜系统使激光横模与衰荡腔本征横模匹配，以及通过控制后向反馈光光强度使光腔输出信号中出现共振尖峰并使其峰值达到最大。如前所述，仅通过采用空间滤波和望远镜系统改变光腔入射激光的特性，难以达到待测光学腔的基横模高效匹配，因而也难以提高测量精确度。而且其所述的光腔输出信号中的共振尖峰信号未必(不能保证)就是光学腔的基横模(在匹配不好的情况下也可能是高阶模)。因此现有技术也缺乏正确判断光学腔输出信号中的基横模的方法。如果将实际上的高阶模(尖峰)信号误当做基横模，提高测量精确度就更无从谈起。

发明内容

本发明为了解决现有测定超高反射率镜片的方法测量精度相对较低且调试费时费力的问题，提供一种快速精确测定超高反射率镜片的方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：快速精确测定超高反射率镜片的方法，以下列步骤实现：(1)构建包括两个腔镜的光学腔(也称法波利-珀罗或F-P腔)，两个腔镜一个作为标定动片置于压电陶瓷上，另一个作为待测静片；在光学腔的入射端设置一个匹配透镜，光学腔的透射端设置快速光电探测器；快速光电探测器的输出端与示波器和一个比较开关电路的信号输入端相连，在光学腔的入射光路上设置有光路快速可控开关，光路快速可控开关的受控端与比较开关电路的输出端相连；(2)以腔镜的标定波长范围的连续激光作为测量光源，以可见激光源作为参考光源；使参考光源和测量光源在空间上重合；(3)调节作为标定动片的腔镜的俯仰角度、左右位置，使得参考光源和测量光源在空间上重合后的入射光经作为标定动片的腔镜的前后表面反射回的光沿入射方向沿原路返回；(4)调节作为待测静片的腔镜的俯仰角度、左右位置，使得在待测静片前或标定动片后放置观测白屏时，白屏上形成以入射光光斑为圆心的同心干涉圆环。说明此时待测静片的前后表面反射的光斑和标定动片的两束反射光在入射的原路上重合，或者标定动片透射光与待测静片的反射光在入射的原路上重合，即说明此时两镜子的光路闭合也达到所需的精确度。(5)关断参考光，开启压电陶瓷的扫描电压，用示波器观察经探测器测量到的透射信号，微调匹配透镜位置，使得在大于一个自由光谱区的范围内，压电陶瓷扫描电压使腔长缩短的过程中，最大尖峰信号最先在扫描时间轴上出现；并使得示波器观测到的透射信号一个自由光谱区中的最大尖峰信号的峰值为所有模式尖峰信号峰值之和的70％以上。这样可保证最大尖峰信号为基横模，并保证激光光源基横模与待测光学腔的基横模高效匹配。原因为：在光学腔中由于模式阶数越高损耗越大，所以当有大于三个模式存在时，通过在压电陶瓷上施加扫描电压U来扫描腔的长度，而模式随着腔长的缩短而依次在示波器的时间轴上由低阶模式到高阶模式分布，高度从最高透射峰Z开始比它阶数高的模式随模式阶数的增加，高度依次降低。如果最高透射峰Z为基横模那么在它之前将有一段最长的无峰区域W(W区没有透射峰如图6所示)。如果最高透射峰是高阶模，那么它之前将还有相邻的透射峰，基横模为在最高峰之前、距最高峰最远的模式。此模式之前为最长无峰区(如图7所示)；(6)增加测量光的功率使得比较开关电路工作于当压电陶瓷扫到光学腔与探测光共振时的透射信号经快速光电探测器转换后的电压高于比较开关电路的关断参考电压V_HI时，快速可控开关在比较开关电路的控制下关闭输入光，透射信号衰减到低于比较开关电路的开启参考电压V_LO时，快速可控开关在比较开关电路的控制下开启输入光的状态中，从示波器上可以直接读出光学腔基横模输出信号e指数衰减的特征时间(如图4所示)，通过特征时间I(t)＝I₀exp(-tcL/2d)拟合即可得到待测腔的总损耗L，公式中c为光速、d为腔长。如果认为构成光学腔的两个腔镜完全相同(即忽略个体差异)，待测镜(静)片的反射率R＝1-L/2。

进一步地，减小测量光的功率使得比较开关电路的输入信号远小于关断参考电压V_HI，通过改变腔长的变化频率(即改变压电陶瓷上的扫描电压的频率)，可以得到动态的腔衰荡信号(如图5所示)，经分析(分析方法是现有公知技术)亦可得到待测腔的总损耗L，作为测量结果的进一步检验。

测量3片与待测镜片波长吻合的超低损耗镜片，两两组合，通过步骤(1)-(6)，联合求解得最小损耗的镜片为参考镜片，其损耗为L_ref；以该参考镜为标定动片和待测镜片为待测静片组合重复步骤(1)-(6)，待测镜片损耗为总损耗减去参考镜损耗，待测镜反射率R＝1-L+L_ref。在不关心待测腔镜单个差异的情况时，可以不实施该步骤。

上述步骤(2)中的可见激光源可以为氦氖激光器、全固态绿光激光器或可见波段的半导体激光二激管。参考光和测量光的空间重合可以通过单模单模保偏光纤、合路器，普通分束棱镜、偏振分束棱镜或对待测光45度高反的平平镜来实现。

本技术和现有方法相比具有以下优点：

(1)本发明利用了腔衰荡对光源功率起伏的不敏感，设计了快速响应开关电路控制下的超低损耗镜片的精确测量和引入可见光源为参考光大大减小了腔的调节难度。该方法能批量测量和筛选高品质光学镜片。

(2)本发明所述方法的测定精确度高于5×10^-7。采用ppm量级的待测超低损耗镜片构建机械结构稳定的F-P腔，单次的测量绝对误差小于0.1ppm。采用了统筹测量法以减小重复搭腔测量的绝对误差，绝对误差不大于0.5ppm(0.00005％)。

附图说明

图1为本发明所述方法的测量原理图。

图2为本发明中的比较开关电路的一种具体电路原理图。其中，S为信号输入端，REF为基准直流电压输入端，CN1和CN2为用于控制快速可控开关的触发输出，也可以从CN1和CN2另分出一路作为示波器观察TTL的通道，以确定关断地时间。。

图3为本发明光学腔精确调节后，示波器观测到的在腔扫过一个自由光谱区所得到的透射的基横模信号(95％以上)。

图4为本发明中的静态腔衰荡信号图。

TTL为比较开关电路的时序输出信号，CRD为探测器输出的透射信号，FIT为指数拟合结果。

图5为本发明中测量的动态腔衰荡透射信号图。

图6为基横模判断示意图；

图7为基横模判断示意图；

图1中：1-测量光源，2-参考光源，3-分束棱镜，4-单模保偏光纤，5-快速可控开关，6-匹配透镜，7-待测静片，8-标定动片，9-压电陶瓷，10-快速光电探测器，11-示波器，12-比较开关电路。图中虚线为电信号连接线，实线为光信号。

具体实施方式

快速精确测定超高反射率镜片的方法，以下步骤实现：(1)构建包括两个腔镜的光学腔(也称法波利-珀罗或F-P腔)，两个腔镜一个作为标定动片8置于压电陶瓷9上，另一个作为待测静片7；在光学腔的入射端设置一个匹配透镜6，光学腔的透射端设置快速光电探测器10；快速光电探测器的输出端与示波器11和一个比较开关电路12的信号输入端相连，在光学腔的入射光路上设置有光路快速可控开关5，光路快速可控开关的受控端与比较开关电路的输出端相连。具体实施中在构建F-P腔时，F-P腔的长度和匹配透镜的大小可以根据自己的实验方便定而选取，但总的原则是，在不影响实验测量的情况下，腔要尽可能的短(通常小于100mm)，因为短腔受外界扰动小；对于不同曲率半径的待测镜片组成的不同长度的F-P腔，要求耦合进腔内的探测光的光斑大小和位置也不同，具体细节参见吕百达著作，高等教育出版社发行的《激光光学》。本具体实施方式中测量镜片的曲率半径为200mm，腔长为10mm左右，匹配透镜为90mm，放置在腔前400mm左右的地方。为方便待测静片和标定动片的位置调节，待测静片置于五维光学调节架上，压电陶瓷可以放在二维镜架或三维位移台上。快速可控开关可以为声光调制器，电光调制器。(2)以腔镜的标定波长范围的连续激光作为测量光源1，以可见激光源作为参考光源2；使参考光源和测量光源在空间上重合。本具体实施方式中采用分束棱镜3和单模保偏光纤4实现空间上的重合；(3)调节作为标定动片的腔镜的俯仰角度、左右位置，使得参考光源和测量光源在空间上重合后的入射光经作为标定动片的腔镜的前后表面反射回的光沿入射方向返回；具体操作时，临时在匹配透镜后标定动片前的光路中放置带小孔的白屏，使得入射光从小孔穿过，调节标定动片的位置，使反射光线从小孔穿过(即将白屏上的反射光点调节至小孔处)。(4)调节作为待测静片的腔镜的俯仰角度、左右位置，使得在待测静片前或标定动片后放置观测白屏时，白屏上形成以入射光光斑为圆心的同心干涉圆环。(5)关断参考光，开启压电陶瓷的扫描电压，用示波器观察经探测器测量到的透射信号，微调匹配透镜位置，使得在大于一个自由光谱区的范围内，压电陶瓷扫描电压使腔长缩短的过程中，最大尖峰信号最先在扫描时间轴上出现；并使得示波器观测到的透射信号一个自由光谱区中的最大尖峰信号的峰值为所有模式尖峰信号峰值之和的70％以上。这样可保证最大尖峰信号为基横模，并保证激光光源基横模与待测光学腔的基横模高效匹配。图3为光学腔进行上述精确调节后，示波器观测到的在腔扫过一个自由光谱区所得到的透射的基横模信号，该基横模尖峰信号的峰值为所有模式尖峰信号峰值之和的95％以上并最先在时间轴上出现。(6)增加测量光的功率使得比较开关电路工作于当压电陶瓷扫到光学腔与探测光共振时的透射信号经快速光电探测器转换后的电压高于比较开关电路的关断参考电压V_HI时，快速可控开关在比较开关电路的控制下关闭输入光，透射信号衰减到低于比较开关电路的开启参考电压V_LO时，快速可控开关在比较开关电路的控制下开启输入光的状态中，从示波器上可以直接读出光学腔基横模输出信号e指数衰减的特征时间，通过特征时间I(t)＝I₀exp(-tcL/2d)拟合即可得到待测腔的总损耗L；如果认为构成光学腔的两个腔镜完全相同(即忽略个体差异)，待测镜(静)片的反射率R＝1-L/2。

进一步地，减小测量光的功率使得比较开关电路的输入信号远小于关断参考电压V_HI，通过改变腔长的变化频率(即改变压电陶瓷上的扫描电压的频率)，可以得到动态的腔衰荡信号(如图5所示)，经分析亦可得到待测腔的总损耗L，作为测量结果的进一步检验。

测量3片与待测镜片波长吻合的超低损耗镜片，两两组合，通过步骤(1)-(6)，联合求解得最小损耗的镜片为参考镜片，其损耗为L_ref；以该参考镜为标定动片和待测镜片为待测静片组合重复步骤(1)-(6)，待测镜片损耗为总损耗减去参考镜损耗，待测镜反射率R＝1-L+L_ref。

所述的比较开关电路是本领域特别是自控领域的技术人员容易实现的，并且可容易地有多种电路结构选择。图2给出了比较开关电路的一种具体电路原理图。其中的AD8564AN芯片构成比较器，S为信号输入端(接收来自快速光电探测器的输出信号)，REF为基准直流电压输入端；74LS04芯片和ADG1211芯片等构成信号转换电路，CN1和CN2为用于控制快速可控开关的触发输出，也可以从CN1和CN2上另分出一路作为示波器观察TTL的通道。MC7905、7908芯片等构成电源电路。

采用本发明所述方法，十次重复测量由美国REO公司生产的标定透射率为8ppm的超高反射率镜片。测量不确定度为0.2ppm，故证明本发明所述方法测量精度优于0.5ppm。通常以多次测量的不确定度的两倍来定分辨率，也就是测量精度。