双波长高反射镜反射率测量方法

摘要

双波长高反射镜反射率测量方法，将光强周期性调制的两个不同波长的连续激光同时注入由两块或三块双波长高反射镜构成的稳定初始光学谐振腔，当初始光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，关断入射激光束，记录光腔衰荡信号；或者在调制信号的下降沿记录光腔衰荡信号，并利用同时测量法或分光探测法或交替测量法得到初始光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ01、τ02，计算出腔镜在两波长处的平均反射率R01、R02；同样，在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测双波长高反射镜构成稳定的测试光学谐振腔，利用同时测量法或分光探测法或交替测量法得到测试光学谐振腔情况下两激光波长的衰荡时间τ1、τ2，得到待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R1、R2。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量高反射镜反射率的方法和装置，特别涉及一种测量双波长高反射镜反射率的方法。

背景技术

近年来，高反射率薄膜光学元件在大型激光系统、激光陀螺、引力波测量和痕量气体检测等领域得到了越来越广泛的应用。而光腔衰荡技术是目前精确测量高反射镜反射率的主要方法(李斌成，龚元；光腔衰荡高反射率测量综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203)。中国专利申请号98114152.8的发明专利“一种高反镜高反射率的测量方法”，采用脉冲激光系统作光源，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，测量精度受制，而且所使用的脉冲激光器造价高，提高了系统成本，不利于推广使用。中国专利申请号200610011254.9的发明专利“一种高反镜反射率的测量方法”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，但是采用锁相方式探测要求稳定的光腔输出信号，激光功率耦合进衰荡腔的效率低，当腔镜反射率高到一定程度后，光腔输出信号振幅减小，信噪比下降，使得装置调节比较困难，而且限制了可测最高反射率和测量精度。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”、中国专利申请号200710098755.X的发明专利“基于半导体自混合效应的高反射率测量方法”、中国专利申请号200810102778.8的发明专利“基于频率选择性光反馈光腔衰荡技术的高反射率测量方法”以及中国专利申请号200810055635.4的发明专利“一种用于测量高反射率的装置”均使用连续光腔衰荡方法，连续激光沿衰荡腔光轴入射，当光腔衰荡信号幅值大于设定的阈值时，触发关闭激光束，记录光腔衰荡信号，或者在调制方波下降沿记录光腔衰荡信号，将得到的信号利用单指数衰减函数拟合出衰荡时间，进而得到反射率测量结果。

上述测量方法和装置都只能测量高反射镜在单一波长处的反射率，不能同时测得双波长高反射镜在两波长处的反射率。随着激光技术的发展和激光系统应用的不断拓展，双波长或多波长高反射镜在许多激光系统中应用也日渐广泛。目前在许多光学系统中对双波长和多波长激光源的需求也不断增加，例如，中国专利申请号200510077804.2的发明专利“多波长激光系统”，其中激光器谐振腔腔镜的双波长甚至多波长反射率测量是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有单波长高反射镜反射率测量技术的不足，提出了一种基于光腔衰荡技术的双波长高反射镜反射率测量方法，具有测量灵敏度高，易于操作的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：双波长高反射镜反射率测量方法，实现步骤如下：

(1)将光强周期性调制的两个不同波长的连续激光同时入射到初始光学谐振腔；

所述初始光学谐振腔由两块相同的平凹双波长高反射镜凹面相对垂直于光轴放置组成，入射光从第一块平凹双波长高反射镜中心透过后垂直入射到第二块平凹双波长高反射镜；

或初始光学谐振腔由两块相同的平凹双波长高反射镜和一块平面双波长高反射镜构成，平面高反射镜为入射腔镜且倾斜于光轴放置，入射激光束从该平面高反射镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反射镜，激光束被第一块平凹高反射镜反射后按原路返回至平面高反射镜，然后又被平面高反射镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反射镜；

(2)从所述初始光学谐振腔的两个双波长高反射镜透射的两不同波长的激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光电探测器探测初始光学谐振腔的光腔衰荡信号，当初始光学谐振腔的光腔衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录初始光学谐振腔的光腔衰荡信号，或者在调制信号的下降沿记录初始光学谐振腔的光腔衰荡信号，利用同时测量法或分光探测法或交替测量法得到初始光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₀₁、τ₀₂，进而得到双波长高反射腔镜在两波长处的平均反射率R₀₁、R₀₂；

(3)在初始光学谐振腔内根据待测双波长高反射镜的使用角度加入待测双波长高反射镜，构成测试光学谐振腔；

所述测试光学谐振腔的构成为：入射光从初始光学谐振腔中第一块平凹双波长高反射镜中心进入，保持第一块平凹双波长高反射镜位置不动，在两平凹双波长高反射镜之间加入待测双波长高反射镜，激光束透过第一块平凹双波长高反射镜后入射到待测双波长高反射镜，入射角为双波长高反射镜使用角度，改变第二块平凹双波长高反射镜的位置使从待测双波长高反射镜反射的激光束垂直入射到第二块平凹双波长高反射镜，构成测试光学谐振腔；

或测试光学谐振腔的构成为：平面双波长高反射镜为入射腔镜且倾斜于光轴放置，入射激光束从该平面双波长高反射镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹双波长高反射镜，激光束被第一块平凹双波长高反射镜反射后按原光路返回至平面双波长高反射镜，然后又被平面双波长高反射镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹双波长高反射镜；在初始光学谐振腔的第二块平凹双波长高反射镜和平面双波长高反射镜之间插入待测双波长高反射镜，入射激光束透过平面双波长高反射镜后，先后经过第一块平凹双波长高反射镜和平面双波长高反射镜后，入射到待测双波长高反射镜，入射角为待测双波长高反射镜使用角度，从待测双波长高反射镜反射的激光束垂直入射到第二块平凹双波长高反射镜，构成测试光学谐振腔；

(4)从输出双波长高反射腔镜透射的两不同波长的激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器，光电探测器探测光腔衰荡信号，当测试光学谐振腔输出信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录测试光学谐振腔的光腔衰荡信号，或者在调制信号的下降沿记录测试光学谐振腔的光腔衰荡信号，利用同时测量法或分光探测法或交替测量法得到测试光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₁、τ₂，通过计算得待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R₁、R₂。

所述的两连续激光由半导体激光器或固体激光器或气体激光器产生。

所述的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的平凹双波长高反射镜和平面双波长高反射镜的反射率在两波长处均大于99％。

所述的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔或共焦腔，总腔长L满足0＜L≤2r，其中r为平凹双波长高反射镜凹面的曲率半径。

所述步骤(2)和(4)中触发关断两入射激光束通过以下方式之一实现：

a.采用连续半导体激光器时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，快速关闭半导体激光器激励电流或电压；

b.采用连续半导体激光器或固体激光器或气体激光器时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，在激光器和入射双波长高反射腔镜之间采用快速光开关来关闭激光束；

c.采用方波调制快速光开关，或方波调制激光器激励电源时，当初始光学谐振腔或测试光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，利用方波下降沿来关闭激光束。

所述步骤(2)中的初始光学谐振腔的光腔衰荡信号由示波器或数据采集卡记录。

所述的同时测量法得到待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R₁、R₂的实现过程如下：将步骤(2)中记录的初始光学谐振腔的光腔衰荡信号按双指数函数衰减，Δt为两激光束关断时间差，A₀₁，A₀₂，A₀₃为常系数，利用多参数拟合程序拟合得到初始光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₀₁、τ₀₂；同样，在测试光学谐振腔情况下，将步骤(4)中记录的测试光学谐振腔的光腔衰荡信号按双指数函数衰减，A₁₁，A₁₂，A₁₃为常系数，利用多参数拟合程序拟合得到测试光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₁、τ₂，根据公式和其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，计算得到待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R₁、R₂。

所述分光探测法得到待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R₁、R₂的实现过程如下：将步骤(2)中初始光学谐振腔输出信号经分光元件分光，两不同波长的激光被分别聚焦到不同的光电探测器，两光电探测器测得的光腔衰荡信号分别按单指数衰减函数I(t)＝Ae^-t/τ+B，其中A，B为常系数，拟合出初始光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₀₁、τ₀₂；同样，在测试光学谐振腔情况下，将步骤(4)中测试光学谐振腔输出信号经分光元件分光，两不同波长的激光被分别聚焦到不同的光电探测器，两光电探测器测得的光腔衰荡信号分别按单指数衰减函数I(t)＝A₁e^-t/τ+B₁，其中A₁，B₁为常系数，拟合出测试光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₁、τ₂，根据公式和其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，计算得到待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R₁、R₂。

所述交替测量法得到待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R₁、R₂的实现过程如下：采用机械快门或者电开关方法交替关闭两激光束，在测量的过程中先将一波长激光器关闭或者将该激光器输出光束遮挡，将步骤(2)中记录的初始光学谐振腔在另一波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ₀₁，其中A₀₁，B₀₁为常系数；然后关闭或遮挡另一波长激光束，将步骤(2)中记录的初始光学谐振腔在先前被关闭或遮挡的激光波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ₀₂，其中A₀₂，B₀₂为常系数；同样，在测试光学谐振腔情况下，先将一波长激光器关闭或者将该激光器输出光束遮挡，将步骤(4)中记录的测试光学谐振腔在另一波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ₁，其中A₁₁，B₁₁为常系数；然后关闭或遮挡另一波长激光束，将步骤(4)中记录的测试光学谐振腔在先前被关闭或遮挡的激光波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ₂，其中A₁₂，B₁₂为常系数，根据公式和其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，计算得到待测双波长高反射镜在两波长处的反射率R₁、R₂。

所述的快速光开关是电光调制开关或声光调制开关。

所述的分光元件是光栅或棱镜。

所述的反射率测量方法也可以用于三波长或更多波长高反射镜反射率测量。

所述光电探测器可以是三个或多个单元探测器，也可以是一个线阵的高速光电探测器。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明利用光腔衰荡技术测量双波长高反射镜反射率，可同时得到高反射镜在两波长处的反射率，也可用于单波长高反射镜反射率的测量，实现一机两用或多用。本发明采用基于光反馈效应的光腔衰荡技术，极大地提高了输出信号的幅值，因此所得信号具有高信噪比，提高了测量精度，该方法还具有操作简单，成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的一种初始光学谐振腔测量装置示意图，在该实施例中，采用方波调制半导体激光器激励电源，在方波下降沿关断激光束；

图2为本发明的一种初始光学谐振腔测量装置示意图，在该实施例中，采用快速光开关关断激光束；

图3为本发明的一种测试光学谐振腔的结构示意图；

图4为本发明的分光探测法的测量装置示意图；

图5为本发明的一种初始光学谐振腔测量装置示意图，在该实施例中，采用机械快门或者波长选择开关交替关断两激光束；

图6为本发明的频率选择性光反馈初始光学谐振腔的结构示意图；

图7为本发明的频率选择性光反馈测试光学谐振腔的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1所述的测量系统描述本发明的双波长高反射镜反射率的测量方法。图1中：1，2分别为两个不同波长的激光光源、3为反射镜、4为双光束分光镜、5和6为平凹双波长高反射镜、7为聚焦透镜、8为光电探测器、9为计算机、10为数据采集卡、11为函数发生卡、12为可见辅助对准光源、13为分光镜、14为反射镜，图中粗线为光路，细线为连接线。

光源1，2均选用连续半导体激光器，两半导体激光器采用方波调制输出；通过反射镜3和双光束分光镜4将两激光束合束，使其同时注入衰荡腔；两块平凹双波长高反射镜5，6在两激光器波长处反射率大于99％，衰荡腔为稳定光学谐振腔或共焦光学谐振腔，腔长L满足0＜L≤2r，其中r为平凹双波长高反射镜凹面的曲率半径；两块平凹双波长高反射镜垂直于光路放置，且使激光束从镜面中心通过，激光束从第一块平凹双波长高反射镜进入光学谐振腔，随着激光束的注入，光学谐振腔内能量逐渐增加，当入射激光束被迅速关断后，光学谐振腔内光能量会由于腔镜透射而逐渐减小，部分激光能量从第二块平凹双波长高反射镜输出，从光学谐振腔后腔镜透射的激光束由聚焦透镜7聚焦到光电探测器8，光电探测器8输出信号由数据采集卡10记录并输入计算机9存储及处理。由于光源1，2均采用函数发生卡11方波同步调制输出，在方波下降沿处激光束被快速关断，当光学谐振腔输出信号幅值在方波下降沿处大于预先设定的阈值时，计算机9控制数据采集卡10采集衰荡信号。可见光源12、分光镜13和反射镜14用于辅助调节光路。当光源1和2中有一个或两个为可见光源时，可以不使用辅助调节光路。将数据采集卡10记录的信号利用多参数拟合程序按照双指数衰减函数：(Δt为两激光束关断时间差，通常Δt远小于衰荡时间，Δt通常为几个至上百个纳秒，A₀₁，A₀₂，A₀₃为常系数，在多参数拟合过程中设为自由参数，拟合出初始光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₀₁、τ₀₂根据公式其中L₀为初始腔光学谐振腔长，c为光速，可得双波长高反射腔镜在两波长处的平均反射率R₀₁、R₀₂。

本发明中激光束的关断也可通过快速光开关实现，如图2所示。光源1，2采用连续半导体激光器或固体激光器或气体激光器，在激光器和入射腔镜之间加入快速光开关15，由计算机9来控制。当采集到的光学谐振腔输出信号幅值大于阈值时(通常设定阈值为最大信号幅值的80％-90％左右)，触发光开关15关闭。

如图3所示为加入待测双波长高反射镜16后构成的测试光学谐振腔，可测量反射率大于99％的平面双波长高反射镜的不同入射角下的反射率。保持第一块平凹双波长高反射镜位置不动，在两平凹双波长高反射镜之间加入待测双波长高反射镜，激光束透过第一块平凹双波长高反射镜后入射到待测双波长高反射镜，入射角为双波长高反射镜使用角度，双波长高反射镜的反射光垂直入射到第二块平凹双波长高反射镜，构成稳定的测试光学谐振腔。当测试光学谐振腔输出信号幅值大于预先设定的阈值时，计算机9控制数据采集卡10采集衰荡信号。利用多参数拟合程序按照双指数衰减函数：(Δt为两激光束关断时间差，通常Δt远小于衰荡时间，A₁₁，A₁₂，A₁₃为常系数，在多参数拟合过程中设为自由参数)拟合出测试光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₁、τ₂，再根据公式和计算得到待测双波长高反射镜16在两波长处的反射率R₁、R₂，其中L₁为测试光学谐振腔腔长。

本发明中从腔内透射光中提取出两激光波长处衰荡时间也可通过分光法实现，如图4所示。输出腔镜透射的两不同波长的激光经分光元件17(采用光栅或棱镜)分光，然后被聚焦透镜7-1和聚焦透镜7-2分别聚焦到光电探测器8-1和光电探测器8-2，当激光束被关断后，光电探测器8-1和光电探测器8-2测得信号分别按单指数衰减函数I(t)＝Ae^-t/τ+B(其中A，B为常系数，在多参数拟合过程中设为自由参数，拟合出初始光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₀₁、τ₀₂；同样，在测试光学谐振腔情况下，两光电探测器测得的光腔衰荡信号分别按单指数衰减函数I(t)＝A₁e^-t/τ+B₁，其中A₁，B₁为常系数，在多参数拟合过程中设为自由参数，拟合出测试光学谐振腔在两激光波长处的衰荡时间τ₁、τ₂，根据公式和其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，计算得到待测双波长高反射镜16在两波长处的反射率R₁、R₂。

如图5所示为采用机械快门交替关断两激光束，在激光器出光口前端加入机械快门18，其由计算机9控制。在测量的过程中机械快门18在计算机9控制下先将一波长激光器输出光束遮挡，测量初始光学谐振腔在另一波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数(其中A₀₁，B₀₁为常系数，在多参数拟合过程中设为自由参数，拟合出衰荡时间τ₀₁；然后遮挡另一波长激光束，测量初始光学谐振腔在先前遮挡的激光波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数(其中A₀₂，B₀₂为常系数，在多参数拟合过程中设为自由参数，拟合出衰荡时间τ₀₂；同样，在测试光学谐振腔情况下，先将一波长激光器关闭或者将该激光器输出光束遮挡，测量测试光学谐振腔在另一波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ₁，其中A₁₁，B₁₁为常系数(在多参数拟合过程中设为自由参数)；然后关闭或遮挡另一波长激光束，测量测试光学谐振腔在先前被关闭或遮挡的激光波长处的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ₂，其中A₁₂，B₁₂为常系数(在多参数拟合过程中设为自由参数)，再根据公式和计算得到待测双波长高反射镜16在两波长处的反射率R₁、R₂，其中L₁为测试光学谐振腔腔长。

本发明中的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔可以采用频率选择性光反馈光腔结构。如图6所示的初始光学谐振腔由两块相同的平凹双波长高反射镜5、6和一块平面双波长高反射镜19构成，平面双波长高反射镜19为入射腔镜且倾斜于光轴放置，入射激光束从平面双波长高反射镜19透射后垂直入射到垂直于光轴放置的平凹双波长高反射镜6，激光束被平凹双波长高反射镜6反射后按原路返回至平面双波长高反射镜19，然后又被平面双波长高反射镜19反射，反射光垂直入射到平凹双波长高反射镜5；在初始光学谐振腔的平凹双波长高反射镜5和平面双波长高反射镜19之间插入待测双波长高反射镜16，入射激光束透过平面双波长高反射镜19后，先后经过平凹双波长高反射镜6和平面双波长高反射镜19再次反射后，入射到待测双波长高反射镜16，入射角为待测双波长高反射镜使用角度，从待测双波长高反射镜16反射的光垂直入射到平凹双波长高反射镜5，这样就构成了稳定的测试光学谐振腔，如图7所示。

总之，本发明提出了双波长高反射镜反射率的测量方法，其测量结果不受激光器强度波动的影响，并且可以测量从紫外到中远红外的各类双波长高反射镜反射率。该方法可得到双波长高反射镜在两波长处的反射率，若增加光源数量，可得到在多个波长处的反射率。本发明具有结构简单，测量精度高且成本低等优点。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术的公知技术。