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

摘要

本发明公开了一种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，采用连续激光入射到初始衰荡腔，衰荡腔出射信号由透镜会聚后由光电探测器转换为电信号，并由数据采集卡记录，衰荡信号由计算机处理得到初始腔衰荡时间；然后插入待测平面镜构成测试衰荡腔，重复测量得到测试腔衰荡时间，并由两个衰荡时间计算得到待测平面镜的反射率。其特征在于：利用两块高反射平凹腔镜和一块高反射平面镜构成初始衰荡腔，激光束从高反射平面镜非垂直入射进初始衰荡腔，入射角保证从平面镜后向反射的一次反射光不进入激光器谐振腔；精确调节两块腔镜，使衰荡腔的频率选择性后向反射激光输出进入激光器谐振腔，形成频率选择性光反馈。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量光学元件参数的方法，特别涉及一种用于测量高反射率的方法。

背景技术

高反射率光学元件在激光系统中的广泛使用迫切要求精确测量高反射率，而目前只有光腔衰荡方法能精确测量高反射率(反射率R＞99.99％)。申请号98114152.8的发明专利公开了一种光腔衰荡方法，采用脉冲激光系统作光源，入射到两块高反镜组成的光学谐振腔，光电探测器在出射腔镜后接收光腔指数衰减信号，分别确定直腔衰荡时间τ₁和折叠腔衰荡时间τ₂，计算得到待测镜的反射率R；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，测量精度受到限制；而且，由于所使用的脉冲激光系统造价高，不利于推广使用。申请号200610011254.9的发明专利公开了一种连续波光腔衰荡方法，以连续半导体激光器作光源，用方波调制连续激光，采用锁相方式探测输出信号的振幅衰减和相位延迟，从而得到光腔衰荡时间和高反镜反射率。该方法所涉及装置简单、成本低，但激光功率耦合进衰荡腔的效率较低，当腔镜反射率提高到一定程度后，光腔输出信号振幅较小，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。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“基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量方法”使用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，或者通过方波调制半导体激光器的激励电压，方波下降沿关闭激光输出，探测指数衰减信号并拟合得到腔镜和测试镜的反射率。该方法装置简单，精度高，但由于入射激光束的99％以上被腔镜直接反射，部分反射光直接进入激光器谐振腔，对激光器的输出造成不稳定。该方法对整个系统的准直要求很高，必须对腔镜进行非常精密的调节；而且光腔输出信号中出现的共振尖峰数目较少，测量效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中激光功率到衰荡腔耦合效率低以及对衰荡腔镜调节精度高的不足，提供一种基于频率选择性光反馈谐振腔的高反射率测量方法，通过改变初始衰荡光腔的结构，消除了从腔镜第一次直接反射回激光器谐振腔的较强激光功率对激光器输出的负面影响；使衰荡光腔的频率选择性输出激光反射回激光器谐振腔，从而使激光功率比较稳定的耦合到衰荡腔，提高了测量效率，降低了对衰荡腔镜调节精度的要求。该方法耦合效率高、方便调节和测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：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，采用激光入射到初始衰荡腔，衰荡腔出射信号由透镜会聚后由光电探测器转换为电信号，并由数据采集卡记录，衰荡信号由计算机处理得到初始腔衰荡时间，然后插入待测平面镜构成测试衰荡腔，重复测量得到测试腔衰荡时间，并由两个衰荡时间计算得到待测平面镜的反射率；其特征在于：利用两块高反射平凹腔镜和一块高反射平面镜构成初始衰荡腔，激光束非垂直入射到初始衰荡腔的高反射平面镜上，入射角保证从平面镜后向反射的一次反射光不进入激光器谐振腔；精确调节两块腔镜，使衰荡腔的频率选择性后向反射激光输出进入激光器谐振腔，形成频率选择性光反馈。

所述的初始衰荡腔为折叠腔，由两块高反射平凹腔镜和一块高反射平面镜分别构成折叠腔的长臂和短臂，会聚透镜及光电探测器放置于折叠腔短臂的衰荡腔镜后面。

所述的测试衰荡腔由初始衰荡腔和一块待测平面高反镜构成，在初始衰荡腔的长臂插入待测平面高反镜，长臂上的衰荡腔镜按待测镜的测试角度并保持整个腔长不变确定其位置。

所述的构成初始衰荡腔的两块腔镜和高反射平面镜的反射率大于99.5％，而且越高越好。

所述的初始衰荡腔的长臂和短臂之间的夹角θ满足3°≤θ≤150°。

所述在出射臂插入待测平面高反镜后所形成的测试角度，即插入的待测平面高反镜的法线方向与初始衰荡腔长臂的夹角为1～85度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明通过改变初始衰荡光腔的结构，消除了从腔镜第一次直接反射回激光器谐振腔的较强激光功率对激光器输出的负面影响；使衰荡光腔的频率选择性输出激光反射回激光器谐振腔，从而使激光功率比较稳定的耦合到衰荡腔，提高了测量效率，降低了对衰荡腔镜调节精度的要求。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的基于频率选择性光反馈光腔衰荡技术的高反射率测量装置示意图；

图2为本发明实施例的光腔输出信号。

图中：1为激光器、2为匹配透镜组、3反射镜、4为平面高反镜、5和6为衰荡腔镜、7为会聚透镜、8为光电探测器、9为数据采集卡、10为计算机、11为函数发生卡、12为准直光束激光器、13为反射镜、14为双色分光镜，15为待测平面高反镜；图中的粗线表示光路，细线及箭头表示电信号传输方向。

具体实施方式

下面结合附图1所述的装置描述本发明的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。

当激光器1采用光强可调制的连续半导体激光器，其激励电压由函数发生卡11方波调制，匹配透镜组2使激光器1输出的激光束。与衰荡腔模式匹配，当激光器1输出的激光束发散角不太大时，测量系统中可以去除匹配透镜组2，为了减小整个系统所占体积，采用反射镜3使光路偏折，一块平面高反镜4和两块腔镜5、6构成折叠腔并作为初始衰荡腔，平面高反镜4和腔镜5构成初始衰荡腔的长臂，平面高反镜4和腔镜6构成初始衰荡腔的短臂，初始衰荡腔为稳定腔，腔长L满足0＜(1-L/ρ₁)(1-L/ρ₂)＜1，其中ρ₁和ρ₂分别为两块腔镜凹面的曲率半径，由于入射激光束非垂直入射到平面高反镜4，因此入射激光束的一次反射光，如图1中带箭头的虚线所示；偏离入射光路而不会反射回半导体激光器1；而衰荡腔的频率选择性激光输出则再次通过平面高反镜4沿原光路返回半导体激光器1，频率选择性光反馈使半导体激光器的输出频谱与衰荡腔的本征模频率相关，从而使激光功率能稳定的耦合进衰荡光腔，从衰荡腔镜6透射的激光束由透镜7会聚到光电探测器8，光电探测器8将光信号转化成电信号，转换后的电信号由数据采集卡9记录并输入计算机10处理及存储，计算机10控制数据采集卡9的采样率、采集数据点长度以及采集电压最大幅值等参数，以及函数发生卡11的调制频率、调制振幅以及偏置电压等参数，函数发生卡11输出的方波函数用于调制半导体激光器激励电压。若激光器1的激光波长不在可见波段，则利用反射镜13和双色分光镜14引入准直光束激光器12发出的可见激光束，用于调节衰荡腔，其装置如图1所示；图2为本发明实施例的光腔输出信号，调制频率为100Hz，从图2中可知，采用本发明的方法光腔输出信号对光腔的调节精度要求不高，而且信号振幅大，信噪比高。

高反射率测量的具体步骤如下：首先激光器1输出的激光束耦合进由衰荡腔镜5、6和一块平面高反镜4构成的稳定的初始衰荡腔，为了压缩系统体积，初始衰荡腔的短臂和长臂的夹角为3到150度之间的任意角度，可根据实际需要调节，短臂和长臂的长度之和(总腔长)为L，调节两块腔镜，使频率选择性反射光沿入射光路返回进入激光器谐振腔，由光电探测器8探测光腔衰荡信号，通过计算机10拟合得到初始衰荡腔的衰荡时间τ₁，然后在长臂上按所需测量的入射角度插入待测平面高反镜15，如图1中虚线所示，移动衰荡腔镜5使得再次形成稳定衰荡腔，此衰荡腔作为测试衰荡腔；再由光电探测器8探测光腔衰荡信号，通过计算机10拟合得到测试腔的衰荡时间τ₂；若插入待测平面高反镜15后保持腔长不变，则待测镜平面高反镜15的反射率由R_x＝exp(L/cτ₁-L/cτ₂)计算得到；若插入待测平面高反镜15后总腔长变为L₂，则待测平面高反镜15的反射率由R_x＝exp(L/cτ₁-L_2/cτ₂)计算得到，其中：c为光速。

插入待测平面高反镜的测试角度α，即插入的待测平面高反镜法线方向与初始衰荡腔出射臂的夹角α，满足1°≤α≤85°，为了得到较长的衰荡时间和较大的衰荡信号，要求构成初始衰荡腔的两块衰荡腔镜5、6和一块平面高反镜的反射率均大于99.5％，并且都越高越好。