一種同時測量高反鏡s和p偏振光反射率的方法
【專利摘要】本發明涉及一種同時測量高反鏡對S和P偏振光反射率的方法，將光強周期性調制的連續激光注入穩定初始諧振腔，由探測器探測衰蕩信號，通過雙指數擬合得到初始諧振腔內S和P偏振光的衰蕩時間τ0S和τ0P，計算得到腔鏡S和P偏振光的平均反射率R0S和R0P；同樣，在初始光學諧振腔兩腔鏡間根據使用角度放入待測高反鏡構成測試光學諧振腔，得到測試腔S和P偏振光的衰蕩時間τ1S和τ1P，計算出待測高反鏡對S和P偏振光的反射率RXS和RXP。本發明優點：避免了以往測量高反鏡反射率未區分S和P偏振態所引起的誤差，可以應用任意偏振特性的激光器測量待測高反鏡對S和P偏振光的反射率，可以不用起偏器，測量裝置簡單，測量精度高。
【專利說明】—種同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于測量高反鏡反射率的方法和裝置，特別涉及一種同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，高反射率薄膜光學元件在激光陀螺、大型激光系統、引力波測量和痕量氣體檢測等領域的應用越來越廣泛。而光腔衰蕩技術是目前精確測量高反鏡反射率的唯一方法。中國專利申請號200610165082.0的發明專利“高反射率的測量方法”、中國專利申請號200710098755.X的發明專利“基于半導體自混合效應的高反射率測量方法”、中國專利申請號200810102778.8的發明專利“基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術的高反射率測量方法”、中國專利申請號200810055635.4的發明專利“一種用于測量高反射率的裝置”均使用連續光腔衰蕩方法，實現了對高反鏡反射率的精確測量。中國專利申請號201010593093.5的發明專利“雙波長高反射率測量方法”實現了同時對多個波長高反鏡反射率進行測量。
[0003]上述測量方法均未考慮入射角較大(>30° )時，待測高反鏡對S和P偏振光反射率的不同所造成的誤差。隨著激光技術的發展和激光系統的不斷拓展，對高反鏡S和P偏振反射率的精確測量顯得日趨重要。所以，實現對高反鏡S和P偏振反射率的精確測量是十分必要的。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是:避免以往測量高反鏡反射率未區分S和P偏振態所引起的誤差，提出了一種基于光腔衰蕩技術的高反鏡對S和P偏振光的反射率測量方法。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其實現步驟如下:
[0006]步驟(I)、將光強周期調制的連續激光入射到初始光學諧振腔；
[0007]所述初始光學諧振腔由兩塊相同的平凹高反鏡凹面相對垂直于光軸放置組成，入射光從第一塊平凹高反鏡中心透過后垂直入射到第二塊平凹高反鏡；
[0008]或初始光學諧振腔由兩塊相同的平凹高反鏡和一塊平面高反鏡構成，平面高反鏡為入射腔鏡且傾斜于光軸放置，入射激光束從該平面高反鏡透射后垂直入射到垂直于光軸放置的第一塊平凹高反鏡，激光束被第一塊平凹高反鏡反射后按原路返回至平面高反鏡，然后又被平面高反鏡再次反射，反射光垂直入射到第二塊平凹高反鏡；
[0009]步驟(2)、從初始光學諧振腔透射的激光由聚焦透鏡聚焦到光電探測器，光電探測器探測初始光學諧振腔的衰蕩信號，當初始光學諧振腔的衰蕩信號幅值超過設定閾值時，觸發關斷入射激光束，記錄初始光學諧振腔的衰蕩信號，或者在調制信號的下降沿記錄初始光學諧振腔的衰蕩信號，通過數據處理得到初始光學諧振腔內S和P偏振光的衰蕩時間τ Cis和τ ορ,進而得到初始光學諧振腔各高反鏡對S和P偏振光的平均反射率Rcis和Rcip ；
[0010]步驟(3)、在初始光學諧振腔內根據待測高反鏡的使用角度插入待測高反鏡，構成測試光學諧振腔；
[0011]所述測試光學諧振腔構成具體為:在步驟(I)所述的初始光學諧振腔的兩塊平凹高反鏡之間插入待測高反鏡，待測高反鏡的入射角為高反鏡的使用角度；
[0012]步驟(4)、從測試光學諧振腔透射的激光束由聚焦透鏡聚焦到光電探測器，光電探測器探測衰蕩信號，當測試光學諧振腔輸出衰蕩信號幅值超過設定閾值時，觸發關斷入射激光束，記錄測試光學諧振腔輸出的衰蕩信號，或者在調制信號的下降沿記錄測試光學諧振腔的衰蕩信號，通過數據處理得到S和P偏振光在測試光學諧振腔內的衰蕩時間τ 1S和τ 1Ρ，通過計算得待測高反鏡對S和P偏振光的反射率RXS和RXP。
[0013]其中，所述的步驟(2)所述的數據處理為對衰蕩信號進行雙指數擬合，擬合所用的
衰減函數為/“) = Avse^ -+- A e^p +C； (t為時間，τ 為初始諧振腔S偏振光衰蕩時間，
τ op為初始諧振腔P偏振光衰蕩時間，Aos, Aop, C0為擬合參數)，分別得到初始諧振腔S和P偏振光的衰蕩時間Tcis和Tcip;同樣，在步驟(4)所述測試光學諧振腔情況下，由衰減函數
/(0 = Alse r,s + Alpe~p +q (t為時間，τ is為測試光學諧振腔S偏振光衰蕩時間，τ ορ為測
試光學諧振腔P偏振光I蕩時間，A1S、A1P、C1為擬合參數)擬合出測試光學諧振腔S和P偏
振光的衰蕩時間τ 1S和τ 1Ρ，根據公式& = e(g-(L0為初始光學諧振腔長，L1為測試光學
諧振腔長)計算得到待測高反鏡對S和P偏振光的反射率Rxs和RXP，L0為初始光學諧振腔長，L1為測試光學諧振腔長；
[0014]或在步驟(I)所述初始光學諧振腔與激光器之間加入消光比足夠高的起偏器，起偏后光束呈S或P偏振態，此后固定起偏器位置，得到的衰蕩信號用單指數擬合，所用的衰
減函數為/(/) = I ^ + β (t為時間，τ ^為初始光學諧振腔衰蕩時間，Α、B為擬合參數),得
到初始諧振腔S或P偏振光的衰蕩時間Tcis或Tcip;同樣，在步驟(4)所述測試光學諧振腔
情況下，由衰減函數= + (t為時間，、為測試光學諧振腔衰蕩時間，A、B為擬
合參數)擬合出測試光學諧振腔S或P偏振光的衰蕩時間Tis或τ1ρ，根據公式
(L0為初始光學諧振腔長,L1為測試光學諧振腔長)計算得到待測高反鏡對S或P偏振光的反射率R5is或R5ip ；
[0015]或所述的連續激光由偏振特性足夠好的激光光源產生，衰蕩信號用單指數進行擬合，所用的衰減函數為= Ae + B { t為時間，τ ^為測試光學諧振腔衰蕩時間，Α、B為擬合參數)，得到初始諧振腔S或P偏振光的衰蕩時間Tcis或τ m ;同樣，在步驟(4)所述測試光學諧振腔情況下，由衰減函數= (t為時間，τ i為測試光學諧振腔衰蕩時間，A、B為擬合參數)擬合出測試光學諧振腔S或P偏振光的衰蕩時間Tis或τ1ρ，根據公式& = (L0為初始光學諧振腔長，L1為測試光學諧振腔長)計算得到待測高反鏡對S或P偏振光的反射率Rxs或Rxp。
[0016]其中，所述的連續激光由半導體激光器或固體激光器或氣體激光器產生。
[0017]其中，所述的用于搭建初始和測試衰蕩腔的高反射腔鏡對S或P偏振光的反射率大于99%。
[0018]其中，所述的初始光學諧振腔和測試光學諧振腔均為穩定腔或共焦腔，總腔長L滿足0〈L ( 2R，R為平凹腔鏡的曲率半徑。
[0019]其中，所述的步驟(2)和(4)中觸發關斷入射激光束通過以下方式之一實現:
[0020]a.采用連續半導體激光器時，當初始光學諧振腔或測試光學諧振腔輸出信號幅值高于設定閾值時，快速關閉半導體激光器激勵電流或電壓；
[0021]b.采用連續半導體或固體激光器或氣體激光器時，當初始光學諧振腔或測試光學諧振腔輸出信號幅值高于設定閾值時，在激光器和第一塊高反射腔鏡之間采用快速光開關來關閉激光束；
[0022]c.采用方波調制快速光開關，或方波調制激光激勵電源時，當初始光學諧振腔或測試光學諧振腔輸出信號幅值高于設定閾值時，利用方波下降沿來關閉激光束。
[0023]其中，所述步(2)中的初始光學諧振腔和所述步驟(4)中的測試光學諧振腔的光腔衰蕩信號由示波器或數據采集卡記錄。
[0024]其中，所述的快速光開關是電光調制開關或聲光調制開關。
[0025]本發明與現有技術相比具有如下技術優點:避免以往測量高反鏡反射率未區分S和P偏振態所引起的誤差，提出了一種基于光腔衰蕩技術的同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，可以應用任意偏振特性的激光器同時測量待測高反鏡S和P偏振光的反射率，可以不用起偏器，測量裝置簡單，測量精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的一種初始直型光學諧振腔測量裝置示意圖，在該實施例中，采用方波調制半導體激光器作為光源，在方波下降沿關斷激光束；
[0027]圖2為本發明的一種初始直型光學諧振腔測量裝置示意圖，在該實施例中，采用快速光開關關斷激光束；
[0028]圖3為本發明的一種初始直型的測試光學諧振腔的測量裝置示意圖；
[0029]圖4為本發明的初始折疊型光學諧振腔測量裝置示意圖；
[0030]圖5為本發明的初始折疊型的測試光學諧振腔的測量裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖1和圖3所述的測量系統描述本發明的一種S和P偏振高反鏡反射率測量方法。圖1中:1為連續激光光源；2為輔助激光光源；3為反射鏡；4為分光鏡；5、6為曲率半徑為R的平凹高反鏡；7為雙突透鏡；8為光電探測器；9為信號采集卡；10為計算機；11為函數發生卡。圖3中:12為待測高反鏡。圖中的粗線為光路，細線為連接線。
[0032]光源I選用連續半導體激光器，米用方波調制輸出；反射鏡3和雙光束分光鏡4構成準直系統；兩塊平凹高反鏡5、6在光源I波長處對S和P偏振光的反射率大于99%，衰蕩腔為穩定光學諧振腔，腔長滿足0〈L ( 2R ;兩塊平凹高反鏡垂直光路放置，且使激光束從鏡面中心通過，激光束從第一塊平凹高反鏡進入諧振腔，隨著激光束注入，諧振腔能量逐漸增加，當入射激光束被迅速關斷后，光學諧振腔內能量會由于腔鏡透射而減小，部分激光能量從第二塊平凹高反鏡輸出，然后由聚焦透鏡7聚焦到光電探測器8，由探測器輸出信號并由采集卡9記錄，然后輸入計算機10并且存儲。光源I采用函數發生卡方波同步調制輸出，在方波下降沿處激光束被快速關斷，當光學諧振腔輸出信號幅值在方波下降沿處大于預先設定閾值時，計算機控制數據采集卡采集衰蕩信號。將采集卡采集的衰蕩信號利用雙指數
衰減函數= a/士+4)#—士+C。擬合，進而分別得到初始腔各高反鏡對S和P偏振光
的平均反射率。
[0033]本發明中激光束的關斷也可通過快速光開關實現，如圖2所示。光源1、2采用連續半導體激光器或固體激光器或氣體激光器，在激光器和入射腔鏡之間加入快速光開關13，由計算機控制。當采集到的輸出信號幅值大于閾值時(閾值通常設定為最大幅值的80%-90%左右)，觸發光開關關閉。
[0034]如圖3所示為加入待測高反鏡12后構成的測試光學諧振腔，可測量不同角度入射的S和P偏振光反射率大于99%的待測高反鏡反射率。在兩平凹高反鏡之間加入待測高反鏡，激光束透過第一塊平凹高反鏡后入射到待測高反鏡，入射角為待測高反鏡使用角度，改變第二塊平凹高反鏡的位置使從待測高反鏡反射的激光束垂直入射到第二塊平凹高反鏡，構成穩定測試光學諧振腔；當測試光學諧振腔輸出信號幅值大于預先設定的閾值時，計算
機控制采集卡采集衰蕩信號。利用雙指數擬合按公式I(t) = Alse^+ Alpe^+ C1擬合出測
試腔衰蕩時間，再根據公式$ = 計算得到待測高反鏡對S (或P)偏振光的反射率。
[0035]也可以在初始光學諧振腔與激光器之間加入消光比足夠高的起偏器，起偏后光束呈S (或P)偏振態，得到的衰蕩信號用單指數擬合，所用的衰減函數為= i+B,得到初始諧振腔S (或P)偏振光的衰蕩時間；在測試光學諧振腔情況下，由衰減函數m = ++5?合出測Ji式光學im紹控S (或PM扁振光的衰蕩時間，根據公式^ = β(?if算得到待測高反鏡對S (或P)偏振光的反射率。
[0036]也可以由偏振特性足夠好的激光光源產生S (或P)偏振光，衰蕩信號用單指數進行擬合，所用的衰減函數為/(/) = IL +β，得到初始諧振腔S(或P)偏振光的衰蕩時間；在
測試光學諧振腔情況下，由衰減函數/ω = +5擬合出測試光學諧振腔S (或P)偏振光
的衰蕩時間，根據公式M計算得到待測高反鏡對S (或P )偏振光的反射率。
[0037]本發明中的初始光學諧振腔也可采用折疊腔型，如圖4所示。初始光學諧振腔由兩塊相同的平凹高反鏡5、6和一塊平面高反鏡14構成，平面高反鏡為入射腔鏡且傾斜于光軸放置，入射激光束從該平面高反鏡透射后垂直入射到垂直于光軸放置的第一塊平凹高反鏡，激光束被第一塊平凹高反鏡反射后按原路返回至平面高反鏡，然后又被平面高反鏡再次反射，反射光垂直入射到第二塊平凹高反鏡；在初始光學諧振腔的第二塊平凹高反射鏡和平面高反鏡14間按使用角度插入待測高反鏡，入射激光束透過平面高反鏡后，先后經過第一塊平凹高反鏡和平面高反鏡后，入射到待測高反鏡，從待測高反射鏡反射的激光束垂直入射到第二塊平凹高反鏡，構成測試光學諧振腔，如圖5所示。
[0038]總之，本發明提出了一種同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，測量結果綜合了光腔衰蕩高反射率測量方法的同時，能夠同時精確測量高反鏡S和P偏振光的反射率。
[0039]本發明未詳細闡述部分屬于本領域技術的公知技術。
【權利要求】
1.一種同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其特征在于其實現步驟如下: 步驟(1)、將光強周期調制的連續激光入射到初始光學諧振腔； 所述初始光學諧振腔由兩塊相同的平凹高反鏡凹面相對垂直于光軸放置組成，入射光從第一塊平凹高反鏡中心透過后垂直入射到第二塊平凹高反鏡； 或初始光學諧振腔由兩塊相同的平凹高反鏡和一塊平面高反鏡構成，平面高反鏡為入射腔鏡且傾斜于光軸放置，入射激光束從該平面高反鏡透射后垂直入射到垂直于光軸放置的第一塊平凹高反鏡，激光束被第一塊平凹高反鏡反射后按原路返回至平面高反鏡，然后又被平面高反鏡再次反射，反射光垂直入射到第二塊平凹高反鏡； 步驟(2 )、從初始光學諧振腔透射的激光由聚焦透鏡聚焦到光電探測器，光電探測器探測初始光學諧振腔的衰蕩信號，當初始光學諧振腔的衰蕩信號幅值超過設定閾值時，觸發關斷入射激光束，記錄初始光學諧振腔的衰蕩信號，或者在調制信號的下降沿記錄初始光學諧振腔的衰蕩信號，通過數據處理得到初始光學諧振腔內S和P偏振光的衰蕩時間τ os和τ ορ,進而得到初始光學諧振腔各高反鏡對S和P偏振光的平均反射率Rcis和Rcip ； 步驟(3)、在初始光學諧振腔內根據待測高反鏡的使用角度插入待測高反鏡，構成測試光學諧振腔； 所述測試光學諧振腔構成具體為:在步驟(1)所述的初始光學諧振腔的兩塊平凹高反鏡之間插入待測高反鏡，待測高反鏡的入射角為高反鏡的使用角度； 步驟(4)、從測試光學諧振腔透射的激光束由聚焦透鏡聚焦到光電探測器，光電探測器探測衰蕩信號，當測試光學諧振腔輸出衰蕩信號幅值超過設定閾值時，觸發關斷入射激光束，記錄測試光學諧振腔輸出的衰蕩信號，或者在調制信號的下降沿記錄測試光學諧振腔的衰蕩信號，通過數據處理得到S和P偏振光在測試光學諧振腔內的衰蕩時間Tis和τ1ρ，通過計算得待測高反鏡對S和P偏振光的反射率RXS和RXP。
2.根據權利要求1所述的高反鏡對S和P偏振光反射率的測量方法，其特征在于:所述的步驟(2)所述的數據處理為對衰蕩信號進行雙指數擬合，擬合所用的衰減函數為
3.根據權利要求1所述的同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其特征在于:所述的連續激光由半導體激光器或固體激光器或氣體激光器產生。
4.根據權利要求1所述的同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其特征在于:所述的用于搭建初始和測試衰蕩腔的高反射腔鏡對S或P偏振光的反射率大于99%。
5.根據權利要求1所述的同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其特征在于:所述的初始光學諧振腔和測試光學諧振腔均為穩定腔或共焦腔，總腔長L滿足0〈L ( 2R，R為平凹腔鏡的曲率半徑。
6.根據權利要求1所述的同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其特征在于:所述的步驟(2)和(4)中觸發關斷入射激光束通過以下方式之一實現: a.采用連續半導體激光器時，當初始光學諧振腔或測試光學諧振腔輸出信號幅值高于設定閾值時，快速關閉半導體激光器激勵電流或電壓； b.采用連續半導體或固體激光器或氣體激光器時，當初始光學諧振腔或測試光學諧振腔輸出信號幅值高于設定閾值時，在激光器和第一塊高反射腔鏡之間采用快速光開關來關閉激光束； c.采用方波調制快速光開關，或方波調制激光激勵電源時，當初始光學諧振腔或測試光學諧振腔輸出信號幅值高于設定閾值時，利用方波下降沿來關閉激光束。
7.根據權利要求1所述的同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其特征在于:所述步驟(2)中的初始光學諧振腔和所述步驟(4)中的測試光學諧振腔的光腔衰蕩信號由示波器或數據采集卡記錄。
8.根據權利要求1所述的同時測量高反鏡S和P偏振光反射率的方法，其特征在于:所述的快速光開關是電光調制開關或聲光調制開關。
【文檔編號】G01M11/02GK103471815SQ201310413019
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】李斌成, 祖鴻宇, 韓艷玲 申請人:中國科學院光電技術研究所