專利名稱：基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量光學(xué)元件參數(shù)的方法，特別涉及一種用于測量高反射率的方法。
技術(shù)背景高反射率光學(xué)元件在激光系統(tǒng)中的廣泛使用迫切要求精確測量高反射率，而目前只有光腔 衰蕩方法能精確測量高反射率(反射率11>99.99%)。申請?zhí)?8114152.8的發(fā)明專利公開了一種 光腔衰蕩方法，采用脈沖激光系統(tǒng)作光源，入射到兩塊高反鏡組成的光學(xué)諧振腔，光電探測器 在出射腔鏡后接收光腔指數(shù)衰減信號，分別確定直腔衰蕩時間r,和折疊腔衰蕩時間^，計算得到待測鏡的反射率R;該方法的缺點是由于脈沖激光光束質(zhì)量差、衰蕩腔內(nèi)存在模式競爭等 因素，測量精度受到限制；而且，由于所使用的脈沖激光系統(tǒng)造價高，不利于推廣使用。申請 號200610011254.9的發(fā)明專利公開了一種連續(xù)波光腔衰蕩方法，以連續(xù)半導(dǎo)體激光器作光源， 用方波調(diào)制連續(xù)激光，采用鎖相方式探測輸出信號的振幅衰減和相位延遲，從而得到光腔衰蕩 時間和高反鏡反射率。該方法所涉及裝置簡單、成本低，但激光功率耦合進(jìn)衰蕩腔的效率較低， 當(dāng)腔鏡反射率提高到一定程度后，光腔輸出信號振幅較小，信噪比下降，使得裝置調(diào)節(jié)比較困 難，而且限制了可測最高反射率和測量精度。申請?zhí)?00610165082.0的發(fā)明專利"高反鏡反射 率的測量方法"、中國專利申請?zhí)?00710098755.X的發(fā)明專利"基于半導(dǎo)體激光器自混合效應(yīng) 的高反射率測量方法"使用連續(xù)激光沿衰蕩腔光軸入射，當(dāng)光腔衰蕩信號幅值大于設(shè)定的閾值時觸發(fā)關(guān)閉激光束，或者通過方波調(diào)制半導(dǎo)體激光器的激勵電壓，方波下降沿關(guān)閉激光輸出，探 測指數(shù)衰減信號并擬合得到腔鏡和測試鏡的反射率。該方法裝置簡單，精度高，但由于入射激 光束的99%以上被腔鏡直接反射，部分反射光直接進(jìn)入激光器諧振腔，對激光器的輸出造成不 穩(wěn)定。該方法對整個系統(tǒng)的準(zhǔn)直要求很高，必須對腔鏡進(jìn)行非常精密的調(diào)節(jié)；而且光腔輸出信 號中出現(xiàn)的共振尖峰數(shù)目較少，測量效率較低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中激光功率到衰蕩腔耦合效率低以及對衰蕩腔 鏡調(diào)節(jié)精度高的不足，提供一種基于頻率選擇性光反饋諧振腔的高反射率測量方法，通過改變 初始衰蕩光腔的結(jié)構(gòu)，消除了從腔鏡第一次直接反射回激光器諧振腔的較強激光功率對激光器 輸出的負(fù)面影響；使衰蕩光腔的頻率選擇性輸出激光反射回激光器諧振腔，從而使激光功率比 較穩(wěn)定的耦合到衰蕩腔，提高了測量效率，降低了對衰蕩腔鏡調(diào)節(jié)精度的要求。'.該方法耦合效3率高、方便調(diào)節(jié)和測量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反 射率測量方法，采用激光入射到初始衰蕩腔，衰蕩腔出射信號由透鏡會聚后由光電探測器轉(zhuǎn)換 為電信號，并由數(shù)據(jù)采集卡記錄，衰蕩信號由計算機處理得到初始腔衰蕩時間，然后插入待測 平面鏡構(gòu)成測試衰蕩腔，重復(fù)測量得到測試腔衰蕩時間，并由兩個衰蕩時間計算得到待測平面 鏡的反射率；其特征在于利用兩塊高反射平凹腔鏡和一塊高反射平面鏡構(gòu)成初始衰蕩腔，激 光束非垂直入射到初始衰蕩腔的高反射平面鏡上，入射角保證從平面鏡后向反射的一次反射光 不進(jìn)入激光器諧振腔；精確調(diào)節(jié)兩塊腔鏡，使衰蕩腔的頻率選擇性后向反射激光輸出進(jìn)入激光 器諧振腔，形成頻率選擇性光反饋。所述的初始衰蕩腔為折疊腔，由兩塊高反射平凹腔鏡和一塊高反射平面鏡分別構(gòu)成折疊腔 的長臂和短臂，會聚透鏡及光電探測器放置于折疊腔短臂的衰蕩腔鏡后面。所述的測試衰蕩腔由初始衰蕩腔和一塊待測平面高反鏡構(gòu)成，在初始衰蕩腔的長臂插入待 測平面高反鏡，長臂上的衰蕩腔鏡按待測鏡的測試角度并保持整個腔長不變確定其位置。所述的構(gòu)成初始衰蕩腔的兩塊腔鏡和高反射平面鏡的反射率大于99.5%，而且越高越好。所述的初始衰蕩腔的長臂和短臂之間的夾角《滿足3° ^6^150° 。所述在出射臂插入待測平面高反鏡后所形成的測試角度，即插入的待測平面高反鏡的法線 方向與初始衰蕩腔長臂的夾角為1~85度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點本發(fā)明通過改變初始衰蕩光腔的結(jié)構(gòu)，消除了從腔鏡第一次直接反射回激光器諧振腔的較強激光功率對激光器輸出的負(fù)面影響；使衰蕩光腔的頻率選擇性輸出激光反射回激光器諧振腔，從而使激光功率比較穩(wěn)定的耦合到衰蕩腔，提高了測 量效率，降低了對衰蕩腔鏡調(diào)節(jié)精度的要求。


下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明的基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量裝置示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例的光腔輸出信號。圖中l(wèi)為激光器、2為匹配透鏡組、3反射鏡、4為平面高反鏡、5和6為衰蕩腔鏡、7為 會聚透鏡、8為光電探測器、9為數(shù)據(jù)采集卡、IO為計算機、ll為函數(shù)發(fā)生卡、12為準(zhǔn)直光束 激光器、13為反射鏡、14為雙色分光鏡，15為待測平面高反鏡；圖中的粗線表示光路，細(xì)線 及箭頭表示電信號傳輸方向。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖1所述的裝置描述本發(fā)明的基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法。當(dāng)激光器1采用光強可調(diào)制的連續(xù)半導(dǎo)體激光器，其激勵電壓由函數(shù)發(fā)生卡11方波調(diào)制， 匹配透鏡組2使激光器1輸出的激光束.與衰蕩腔模式匹配，當(dāng)激光器1輸出的激光束發(fā)散角不 太大時，測量系統(tǒng)中可以去除匹配透鏡組2，為了減小整個系統(tǒng)所占體積，采用反射鏡3使光 路偏折， 一塊平面高反鏡4和兩塊腔鏡5、 6構(gòu)成折疊腔并作為初始衰蕩腔，平面高反鏡4和腔 鏡5構(gòu)成初始衰蕩腔的長臂，平面高反鏡4和腔鏡6構(gòu)成初始衰蕩腔的短臂，初始衰蕩腔為穩(wěn)定腔，腔長L滿足(X(l-Z/a)(1-Z/a)<1，其中a和a.分別為兩塊腔鏡凹面的曲率半徑，由 于入射激光束非垂直入射到平面高反鏡4，因此入射激光束的一次反射光，如圖1中帶箭頭的 虛線所示偏離入射光路而不會反射回半導(dǎo)體激光器1;而衰蕩腔的頻率選擇性激光輸出則再 次通過平面高反鏡4沿原光路返回半導(dǎo)體激光器1，頻率選擇性光反饋使半導(dǎo)體激光器的輸出 頻譜與衰蕩腔的本征模頻率相關(guān)，從而使激光功率能穩(wěn)定的耦合進(jìn)衰蕩光腔，從衰蕩腔鏡6透 射的激光束由透鏡7會聚到光電探測器8，光電探測器8將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，轉(zhuǎn)換后的電 信號由數(shù)據(jù)采集卡9記錄并輸入計算機10處理及存儲，計算機10控制數(shù)據(jù)采集卡9的采樣率、 采集數(shù)據(jù)點長度以及采集電壓最大幅值等參數(shù)，以及函數(shù)發(fā)生卡11的調(diào)制頻率、調(diào)制振幅以及偏置電壓等參數(shù)，函數(shù)發(fā)生卡ll輸出的方波函數(shù)用于調(diào)制半導(dǎo)體激光器激勵電壓。若激光器l 的激光波長不在可見波段，則利用反射鏡13和雙色分光鏡14引入準(zhǔn)直光束激光器12發(fā)出的可 見激光束，用于調(diào)節(jié)衰蕩腔，其裝置如圖l所示；圖2為本發(fā)明實施例的光腔輸出信號，調(diào)制 頻率為100Hz，從圖2中可知，采用本發(fā)明的方法光腔輸出信號對光腔的調(diào)節(jié)精度要求不高， 而且信號振幅大，信噪比高。高反射率測量的具體步驟如下首先激光器1輸出的激光束耦合進(jìn)由衰蕩腔鏡5、 6和一塊 平面高反鏡4構(gòu)成的穩(wěn)定的初始衰蕩腔，為了壓縮系統(tǒng)體積，初始衰蕩腔的短臂和長臂的夾角 為3到150度之間的任意角度，可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)，短臂和長臂的長度之和(總腔長)為丄， 調(diào)節(jié)兩塊腔鏡，使頻率選擇性反射光沿入射光路返回進(jìn)入激光器諧振腔，由光電探測器8探測 光腔衰蕩信號，通過計算機10擬合得到初始衰蕩腔的衰蕩時間r,，然后在長臂上按所需測量 的入射角度插入待測平面高反鏡15，如圖l中虛線所示，移動衰蕩腔鏡5使得再次形成穩(wěn)定衰 蕩腔，此衰蕩腔作為測試衰蕩腔再由光電探測器8探測光腔衰蕩信號，通過計算機10擬合得 到測試腔的衰蕩時間r^若插入待測平面高反鏡15后保持腔長不變，則待測鏡平面高反鏡15 的反射率由i x -exp(丄Ar,-丄/"2)計算得到；若插入待測平面高反鏡15后總腔長變?yōu)锳 ，則待 測平面高反鏡15的反射率由A 二exp(丄/", - A/"2)計算得到，其中c為光速。插入待測平面高反鏡的測試角度"，即插入的待測平面高反鏡法線方向與初始衰蕩腔出射臂的夾角a，滿足r《c^85"，為了得到較長的衰蕩時間和較大的衰蕩信號，要求構(gòu)成初始衰 蕩腔的兩塊衰蕩腔鏡5、 6和一塊平面高反鏡的反射率均大于99.5%，并且都越高越好。
權(quán)利要求
1、基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法，采用激光入射到初始衰蕩腔，衰蕩腔出射信號由透鏡會聚后由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，并由數(shù)據(jù)采集卡記錄，衰蕩信號由計算機處理得到初始腔衰蕩時間，然后插入待測平面鏡構(gòu)成測試衰蕩腔，重復(fù)測量得到測試腔衰蕩時間，并由兩個衰蕩時間計算得到待測平面鏡的反射率；其特征在于利用兩塊高反射平凹腔鏡和一塊高反射平面鏡構(gòu)成初始衰蕩腔，激光束非垂直入射到初始衰蕩腔的高反射平面鏡上，入射角保證從平面鏡后向反射的一次反射光不進(jìn)入激光器諧振腔；精確調(diào)節(jié)兩塊腔鏡，使衰蕩腔的頻率選擇性后向反射激光輸出進(jìn)入激光器諧振腔，形成頻率選擇性光反饋。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法，其特 征在于所述的初始衰蕩腔為折疊腔，由兩塊高反射平凹腔鏡和一塊高反射平面鏡分別構(gòu)成折 疊腔的長臂和短臂，會聚透鏡及光電探測器放置于折疊腔短臂的衰蕩腔鏡后面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法，其特 征在于所述的測試衰蕩腔由初始衰蕩腔和一塊待測平面高反鏡構(gòu)成，在初始衰蕩腔的長臂插 入待測平面高反鏡，長臂上的衰蕩腔鏡按待測鏡的測試角度并保持整個腔長不變確定其位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法置，其 特征在于所述的構(gòu)成初始衰蕩腔的兩塊腔鏡和高反射平面鏡的反射率大于99.5%，而且越高 越好。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法，其特 征在于所述的初始衰蕩腔的長臂和短臂之間的夾角9滿足3°《0 S 150° 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法，其特征在于所述在出射臂插入待測平面高反鏡后所形成的測試角度，即插入的待測平面高反鏡的法線方向與初始衰蕩腔長臂的夾角為1~85度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測量方法，采用連續(xù)激光入射到初始衰蕩腔，衰蕩腔出射信號由透鏡會聚后由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，并由數(shù)據(jù)采集卡記錄，衰蕩信號由計算機處理得到初始腔衰蕩時間；然后插入待測平面鏡構(gòu)成測試衰蕩腔，重復(fù)測量得到測試腔衰蕩時間，并由兩個衰蕩時間計算得到待測平面鏡的反射率。其特征在于利用兩塊高反射平凹腔鏡和一塊高反射平面鏡構(gòu)成初始衰蕩腔，激光束從高反射平面鏡非垂直入射進(jìn)初始衰蕩腔，入射角保證從平面鏡后向反射的一次反射光不進(jìn)入激光器諧振腔；精確調(diào)節(jié)兩塊腔鏡，使衰蕩腔的頻率選擇性后向反射激光輸出進(jìn)入激光器諧振腔，形成頻率選擇性光反饋。
文檔編號G01M11/02GK101261182SQ200810102778
公開日2008年9月10日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者李斌成, 韓艷玲, 元 龔 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所