一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率的方法

摘要

本发明涉及一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率的方法，步骤为：采用光腔衰荡技术，先测量初始光腔的衰荡信号并拟合得到初始光腔的衰荡时间。然后加入待测高反射/高透射光学元件形成稳定测试光腔，分别测量从待测光学元件输出和输出腔镜输出的衰荡信号并拟合得到测试光腔的衰荡时间，经计算得到高反射光学元件的反射率或高透射光学元件的透过率；同时将待测光学元件输出的光腔衰荡信号幅值与输出腔镜输出的光腔衰荡信号幅值进行比值计算，通过定标得到高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率。该测量方法不仅可测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率，而且可对其反射率和透过率分布实现高分辨率二维成像。

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量高反射光学元件或高透射光学元件的反射率/透过率的技术领域，特别涉及一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射光学元件或高透射光学元件的单点反射率/透过率和其反射率/透过率二维分布的方法。

背景技术

高反射光学元件和高透射光学元件广泛应用于高功率激光系统、引力波探测、激光陀螺等技术领域中。随着镀膜技术的进步，高反射/高透射光学元件的反射率/透射率越来越高，精确测量高反射/高透射光学元件的反射率/透过率变得尤为重要。

高反射光学元件反射率测量主要基于光腔衰荡技术(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“一种反镜高反射率的测量方法”、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”、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”、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”均是使用光腔衰荡技术测量高高反射光学元件反射率。高透射光学元件透过率测量同样可以采用光腔衰荡技术。中国专利申请号201010295724.5的发明专利“一种光学元件的透射损耗测量方法”使用连续光腔衰荡技术测量高透射光学元件的透过率。光腔衰荡技术解决了高反射光学元件反射率测量和高透射光学元件透过率测量的技术问题。

对高透射光学元件剩余反射率和高反射光学元件透过率的测量则仍然采用分光光度技术。中国专利申请号201210524943.5的发明专利“一种光学元件透过率的测量方法及装置”、中国专利申请号201310013193.X的发明专利“一种光刻机中照明系统各光学组件透过率的测量装置及测量方法”通过分光光度法将特定波长的激光光束进行分束，得到两束光分别通过参考光路和测试光路来测量光学元件的透过率。分光光度技术也可以来测量光学元件的反射率，但测量精度受光源强度波动的影响，典型反射率/透过率测量精度为±0.1-0.3％。

对高反射/高透射光学元件的单点反射率和透过率采用不同装置分别测量既不能保证其测试的是同一元件位置，也不能保证光学元件处于同一状态，而且装置相对复杂，操作麻烦。目前未见能同时测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率的测量方法，因此发展一种可同时测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率，并可以满足其反射率/透过率二维扫描成像的测量装置十分必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于光腔衰荡技术，采用同一个激光光源，实现高反射/高透射光学元件的反射率和透过率的同时测量，同时满足光学元件反射率/透过率的二维扫描成像测量，并具有测量精度高等优点。

其实现步骤如下：

步骤(1)将一束激光光束注入到稳定的初始光腔，所述初始光腔由两块相同的平凹高反射镜构成直型腔或者由一块平面反射镜和两块相同的平凹高反射镜构成“V”型腔，腔长为L₀,激光束从耦合镜注入光腔，由平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号由第一个光电探测器探测；将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到初始光腔的衰荡时间τ₀；

步骤(2)在初始光腔内根据使用角度加入待测光学元件，如果待测光学元件为高透射光学元件，不需要移动待测光学元件后的平凹高反射腔镜直接构成稳定的测试光腔；如果待测光学元件为高反射光学元件，相应地移动待测光学元件后的平凹高反射输出腔镜构成稳定的测试光腔；腔长为L₁，从待测高反射光学元件透射的光信号或待测高透射光学元件反射的光信号由第二个光电探测器探测，待测光学元件可放置于二维位移平台上，同时记录第一、二个光电探测器在相同时刻的光腔衰荡信号并得到其幅值比值P₁＝I₁/I₀，I₀和I₁分别为第一、二个光电探测器探测的光信号幅值，通过对第二与第一个光电探测器的放大倍数比值M和输出腔镜透过率T₀标定得到待测高反射光学元件的透过率T＝P₁T₀/M或待测高透射光学元件的反射率R＝P₁T₀/M；同时，将第一或第二个探测器测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到测试光腔的衰荡时间τ₁，经计算得到待测高反射光学元件的反射率R＝(L₀/cτ₀-L₁/cτ₁)或待测高透射光学元件的透过率其中c为光速，n_s为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度。

其中，所述的激光光源可以为脉冲激光或连续激光。连续激光采用半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或者气体激光器产生。

其中，所述的激光输出光束为TEM₀₀模光束。

其中，所述组成初始光腔和测试光腔的两块平凹高反射镜和一块平面反射镜的反射率均大于99％。

其中，所述初始光腔和测试光腔均为稳定腔，初始光腔腔长L₀和测试光腔长L₁满足0<L₀<2r，0<L₁<2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。

其中，所述的光腔衰荡信号由以下任一方式实现

a.光源采用脉冲激光，直接获得光腔衰荡信号；

b.光源采用连续半导体激光器，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压或电流，获得光腔衰荡信号；

c.光源采用连续半导体激光器或二极管泵浦的固体激光器或者气体激光器，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，获得光腔衰荡信号；

d.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，采用方波下降沿快速关闭激光束，获得光腔衰荡信号。

其中，所述步骤(2)中探测器放大倍数比值M通过采用此两个探测器探测同一光信号获得。

其中，所述步骤(2)中输出腔镜的透过率T₀通过分光光度技术或其它测量技术标定。

其中，通过二维平移台移动待测光学元件位置，实现光学元件反射率和透过率的二维测量；若待测光学元件仅需单点测量，则待测光学元件无需放置于二维平移台上。

本发明与现有技术相比具有如下技术优点：本发明实现了一套装置同时测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率，降低了光学元件多参数测量的成本。本发明还能实现光学元件二维扫描成像测量，获得光学元件反射率/透过率的二维分布。

附图说明

图1为本发明初始光腔为折叠腔的高反射光学元件反射率和透过率测量的总体结构示意图；

图2为本发明初始光腔为折叠腔的高透射光学元件透过率和反射率测量的总体结构示意图；

图3为本发明模拟的图1中探测器9和7在相同时刻信号幅值的比值I₁/I₀与待测高反射光学元件透过率T关系曲线；

图4为本发明初始光腔为直腔的高反射光学元件反射率和透过率测量的总体结构示意图；

图5为本发明初始光腔为直腔的高透射光学元件透过率和反射率测量的总体结构示意图；

图1和图2中：1为激光光源；2为平面反射腔镜；3和4为平凹反射腔镜；5为待测光学元件；6和8为聚焦透镜；7和9为光电探测器；10为二维位移平台；11为函数发生卡；12为数据采集卡；13为计算机；其中平凹反射腔镜3为输出腔镜，图中的粗线为光路，细线为连接线。

图4和图5中：1为激光光源；2和3为平凹反射腔镜；4为待测光学元件；5和7为聚焦透镜；6和8为光电探测器；9为二维位移平台；10为函数发生卡；11为数据采集卡；12为计算机；其中平凹反射腔镜3为输出腔镜，图中的粗线为光路，细线为连接线。

具体实施方式

下面结合图1和图2所述初始光腔为折叠腔的测量系统描述本发明的一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射/高透射光学元件的反射率和透过率的方法。

光源1选用连续半导体激光器，采用函数发生卡11方波调制输出；根据光反馈光腔衰荡技术，将激光注入到稳定光学谐振腔。由平面反射镜2和两块相同的平凹反射镜3、4构成稳定初始光振腔。构成初始光腔的反射镜反射率均大于99％，初始光腔为稳定光学谐振腔，腔长L₀满足0<L₀<2r，其中r为平凹反射镜凹面的曲率半径。入射激光束通过平面反射镜2耦合注入到光学谐振腔，并在谐振腔内震荡。在方波下降沿，激光被关断，产生衰荡信号，将光电探测器7记录的光腔衰荡信号按单指数衰减函数(A₀₁，A₀₀为常系数，t为时间)拟合出初始光学谐振腔的衰荡时间τ₀。

在初始光腔中插入待测光学元件5，入射角为待测光学元件5的使用角度，待测光学元件5至于二维位移平台10上。如果待测光学元件是高反射光学元件，相应的移动平凹反射腔镜4的位置构成稳定的测试光腔，如图1中实线所示。如果待测光学元件是高透射光学元件，则不需要移动平凹反射腔镜4的位置即直接构成稳定的测试光腔，如图2中实线所示。测试光腔为稳定光学谐振腔，腔长L₁满足0<L₁<2r，其中r为平凹反射镜凹面的曲率半径。在如图1和图2所示的测量装置中，平凹反射镜3的透射光由聚焦透镜6聚焦到光电探测器7中。待测高反射光学元件5的透射光由聚焦透镜8聚焦到光电探测器9中，如图1所示；或者，待测高透射射光学元件5的反射光由聚焦透镜8聚焦到光电探测器9中，如图2所示。同时记录光电探测器7和9在相同时刻的光腔衰荡信号并得到其幅值比值P₁＝I₁/I₀，I₀和I₁分别为光电探测器7和9探测的光信号幅值，通过对光电探测器9和7的放大倍数比值M和输出腔镜3的透过率T₀标定得到待测高反射光学元件的透过率T＝P₁T₀/M或待测高透射光学元件的反射率R＝P₁T₀/M；作为一个例子，图3显示了比值I₁/I₀与待测高反射光学元件透过率T关系，结果显示I₁/I₀与待测高反射样品透过率T呈线性关系。图中假设M＝1，T₀＝25ppm。

同时，将光电探测器7或9记录的光腔衰荡信号按单指数衰减函数(A₁₁，A₁₂为常系数，t为时间)拟合出测试光学谐振腔的衰荡时间τ₁。通过图1所示装置得到待测高反射光学元件5的反射率R＝exp(L/cτ₀-L₁/cτ₁)；通过图2所示装置得到待测高透射射光学元件5的透过率其中c为光速，L₀为初始光腔腔长，L₁为测试光腔腔长，n_s为待测高透射光学元件折射率，d为待测高透射光学元件厚度。通过移动放置于二维位移平台10上的待测光学元件位置即可以实现光学元件的二维扫描测量，得到待测光学元件的反射率/透过率分布。若待测光学元件仅需要单点测量，则待测光学元件无需放置于二维位移平台上。

总之，本发明提出了一种基于光腔衰荡技术同时测量高反射光学元件或高透射光学元件的反射率和透过率的方法，实现了高反射/高透射光学元件的反射率和透过率的同时测量。本发明还能实现对光学元件(比如大口径光学元件)的二维扫描成像测量，获得待测光学元件反射率/透过率的二维分布。