專利名稱：一種用于測量高反射率的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量光學元件參數(shù)的裝置，特別涉及一種用于測量高反射率的裝置。
技術背景高反射率光學元件在激光系統(tǒng)中的廣泛使用迫切要求精確測量高反射率，而傳統(tǒng)方法(如 分光光度法)無法滿足高反射率的測量精度要求。中國專利申請?zhí)?8114152.8，公開號 CN1242516A，
公開日期2000年1月26日的發(fā)明專利公開了"一種反射鏡高反射率的測量方法"， 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7,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。中國專利申請?zhí)?200610011254.9，公開號CN1804572A，
公開日期2006年7月19日的發(fā)朋專利提供了"一種高 反鏡反射率的測量方法"；2006年9月出版的《中國激光》，龔元，李斌成，第33巻第9期1247 一1250頁，公開了一種"連續(xù)激光光腔衰蕩法精確測量高反射率"的方法，它們都提出了一種以 連續(xù)半導體激光器作光源的高反射率測量方法，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。該方法裝置簡單、成本 低，但激光功率耦合進衰蕩腔的效率較低，當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。中國 專利申請?zhí)?00610165082.0，公開號CN1963435A,
公開日期2007年5月16日的發(fā)明專利"高 反鏡反射率的測量方法"使連續(xù)激光沿衰蕩腔光軸入射，當光腔衰蕩信號幅值大于設定的閾值時 觸發(fā)關閉激光束，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，但對整個系統(tǒng)的準直要求很高，且必須對腔鏡進行精密調(diào)節(jié)。上述現(xiàn)有技術所涉及到的測量高反射率的裝置的初始衰蕩腔都采用直腔構型，插入待測平 面鏡后形成的折疊腔作為測試衰蕩腔；光電探測器接收從出射腔鏡輸出的激光束用于測量衰蕩 時間和反射率；實際應用中，為了減小腔長測量引入的高反射率測量誤差， 一般采用較長的衰 蕩腔，此時直腔作為初始腔將不便于系統(tǒng)集成在已有的基于光腔衰蕩技術的高反射率測量儀 器中，光腔衰蕩信號通過將出射腔鏡輸出的光信號經(jīng)會聚透鏡聚焦到一光電探測器上進行探測， 一般將出射腔鏡、會聚透鏡和光電探測器安裝在同一底座上，便于在直腔和折疊腔之間切換時同時移動三者；這樣一個整體的重量較大，三者集成在一起不僅提高了系統(tǒng)成本，而且不利于 直腔/折疊腔切換時光路的精確對準調(diào)節(jié)；同時，探測器的電源線、信號線在移動時也會造成不 便。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術中直腔/折疊腔切換時給系統(tǒng)帶來的不足，提供 一種初始衰蕩腔為折疊腔的測量高反射率的裝置，該裝置穩(wěn)定性好、方便調(diào)節(jié)和測量。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種用于測量高反射率的裝置，其中光電 探測器7將光信號轉(zhuǎn)換成的電信號，由數(shù)據(jù)采集卡8記錄并輸入計算機9處理及存儲，計算機 9控制數(shù)據(jù)采集卡8的來樣率、采集數(shù)據(jù)點長度以及采集電壓最大幅值；其特征在于入射腔鏡3和出射腔鏡5與平面高反鏡4共同構成穩(wěn)定的光學諧振腔作為初始衰蕩腔，入射腔鏡3和 平面高反鏡4位于同一直線上，構成初始衰蕩腔的入射臂，出射腔鏡5和平面高反鏡4位于另 一條直線上，構成初始衰蕩腔的出射臂，總腔長為Z,入射臂和出射臂之間的夾角為e;測試 時，由光源1發(fā)出的光束經(jīng)匹配透鏡2進入上述衰蕩光腔，會聚透鏡6和光電探測器7置于平 面高反鏡4后搜集和探測出射的光束；由光腔衰蕩技術探測并通過計算機9擬合得到初始腔衰 蕩時間r,;然后在出射臂插入待測平面鏡14，調(diào)節(jié)出射腔鏡5，形成穩(wěn)定的測試腔，再由光腔 衰蕩技術探測并通過計算機9擬合得到測試腔衰蕩時間72;通過待測平面高反鏡的反射率公式計算，便可得到待測平面高反鏡的反射率。所述光源1可采用光強可調(diào)制的連續(xù)半導體激光器，此時函數(shù)發(fā)生卡10與計算機9相連， 計算機9控制函數(shù)發(fā)生卡10的調(diào)制頻率、調(diào)制振幅以及偏置電壓，函數(shù)發(fā)生卡10輸出的方波 函數(shù)用于調(diào)制光源1所采用的半導體激光器的激勵電壓；光源1也采用脈沖激光器，此時不需 要函數(shù)發(fā)生卡10調(diào)制光源1，光源l直接輸出激光脈沖。所述的光源1的激光波長若不在可見波段，則利用反射鏡12和分光鏡13引入準直光束激 光器ll發(fā)出的可見激光束，用于調(diào)節(jié)衰蕩腔。所述的會聚透鏡6和光電探測器7搜集和探測平行于入射臂方向或出射臂方向的出射激光 束或同時搜集和探測兩個方向的出射激光束。所述的入射臂比出射臂短，兩者之間的夾角P滿足5° S^S45° 。所述的入射腔鏡3的反射率^和平面高反鏡4的及射率《滿足0.998S A 2 0.9999， 0.998^/ ^0.9999，出射腔鏡5的反射率&滿足及3 20.9995 ，并且出射腔鏡5的反射率及3高于 入射腔鏡3的反射率《和平面高反鏡4的反射率i 2 。所述在出射臂插入待測平面鏡14后所形成的測試角度ff ，即插入的待測平面鏡14的法線方向與初始衰蕩腔出射臂的夾角a為l ~ 85度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的優(yōu)點本發(fā)明所改進的裝置通過引入一塊平面高反鏡，與 兩塊分別作為入射腔鏡和出射腔鏡的平凹腔鏡共同構成的折疊腔作為初始衰蕩腔，然后在出射 臂插入待測平面鏡，調(diào)節(jié)出射腔鏡，形成穩(wěn)定的測試腔，這種衰蕩腔構型縮小了系統(tǒng)的體積； 光腔衰蕩信號改由對平面高反鏡出射的光信號經(jīng)聚焦后由光電探測器探測，這樣在插入待測鏡 以后僅需移動出射腔鏡便可形成穩(wěn)定的測試腔，減少了高反射率測量過程中需要移動的元件數(shù) 量，提高了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而且作為激光輸出鏡的平面高反鏡在測量過程中無需調(diào)節(jié)，出 射腔鏡單獨存在，容易調(diào)節(jié)。
下面結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1為本發(fā)明的基于連續(xù)半導體激光器的高反射率測量裝置示意圖；圖2為本發(fā)明的光電探測器搜集輸出激光束的示意圖；圖3為本發(fā)明的基于脈沖激光器的高反射率測量裝置示意圖；圖中l(wèi)為光源、2為匹配透鏡、3為入射腔鏡、4為平面高反鏡、5為出射腔鏡、6為會聚 透鏡、7為光電探測器、8為數(shù)據(jù)采集卡、9為計算機、IO為函數(shù)發(fā)生卡、11為準直光束激光 器、12為反射鏡、13為分光鏡，圖中的粗線表示光路，細線表示信號線相連；A表示平行于入 射臂方向的出射激光束，B表示平行于出射臂方向的出射激光束。
具體實施方式
下面詳細介紹一種以連續(xù)半導體激光器作為光源的高反射率測量裝置。 當光源1采用光強可調(diào)制的連續(xù)半導體激光器，測量方案采用基于半導體激光器自混合效 應的指數(shù)衰減探測方式；調(diào)制的連續(xù)半導體激光器作光源時，也可采用鎖相放大器探測幅頻、 相頻曲線并擬合得到衰蕩時間和反射率；匹配透鏡2使光源1輸出的激光束與衰蕩腔模式匹配， 當光源l輸出的激光束發(fā)散角不太大時，可以去除匹配透鏡2;入射腔鏡3和出射腔鏡5采用 平凹高反鏡，兩塊腔鏡和一塊平面高反鏡4構成折疊腔并作為初始衰蕩腔，入射腔鏡3和平面 高反鏡4位于同一直線上，構成初始衰蕩腔的入射臂，出射腔鏡5和平面高反鏡4位于另一條 直線上，構成初始衰蕩腔的出射臂，從平面高反鏡4透射的激光束由透鏡6會聚到光電探測器 7，光電探測器7同時將光信號轉(zhuǎn)化成電信號,:轉(zhuǎn)換后的電信號由數(shù)據(jù)采集卡8記錄并輸入計算 機9處理及存儲，計算機9控制數(shù)據(jù)采集卡8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10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10輸 出的方波函數(shù)用于調(diào)制半導體激光器激勵電壓；若光源1的激光波長不在可見波段，則利用反 射鏡12和分光鏡13引入準直光束激光器11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。下面介紹基于連續(xù)半導體激光器的高反射率測量裝置采用基于半導體激光器自混合效應的 指數(shù)衰減探測方式測量待測平面高反鏡的反射率，具體步驟如下首先激光束進入由入射腔鏡3、出射腔鏡5和一塊平面高反鏡4構成的穩(wěn)定的初始衰蕩腔，總腔長為￡，調(diào)節(jié)入射腔鏡3和 出射腔鏡5，使其反射光沿原光路返回，由光電探測器7探測光腔衰蕩信號，通過計算機9擬 合得到初始衰蕩腔的衰蕩時間r,，然后在出射臂上按所需測量的入射角度插入待測平面高反鏡 14，如圖1所示，移動出射腔鏡5使得再次形成穩(wěn)定諧振腔，此諧振腔作為測試衰蕩腔；再由 光電探測器7探測光腔衰蕩信號，通過計算機9擬合得到測試腔的衰蕩時間r2;若插入待測平 面高反鏡14后保持腔長不變，則待測鏡平面高反鏡14的反射率由^ =^ (丄/ "1-丄/^2)計算 得到；若插入待測平面高反鏡14后總腔長變?yōu)閊，則待測平面高反鏡14的反射率由 =6乂口(1/0:1-12/￡;1:2)計算得到，其中c為光速。 會聚透鏡6和光電探測器7可搜集和探測平行于入射臂方向的出射激光束，或搜集和探測 平行于出射臂方向的出射激光束，或同時搜集和探測以上兩個方向的出射激光束，如圖2所示； 由于在構成測試腔時，在出射臂上插入待測鏡14,因此要求衰蕩腔的入射臂比出射臂短，為了 壓縮系統(tǒng)體積，要求入射臂和出射臂之間的夾角W南足5'S0S45";插入待測平面高反鏡的測 試角度a，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"，滿足r^a^85", 為了得到較長的衰蕩時間和較大的衰蕩信號，要求入射腔鏡3和平面高反鏡4反射率滿足 0.998 S & S 0.9999,0.998《及2《0.9999 ,出射腔鏡5的反射率及3滿足/ 3 2 0.9995 ，并且高于入射腔鏡3的反射率《和平面高反鏡4的反射率A，越高越好。光源1還可以采用脈沖激光器，對應的測量方式為指數(shù)衰減探測，此時不需要函數(shù)發(fā)生卡 IO來調(diào)制脈沖激光器，光源l直接輸出激光脈沖；其余部分連接與基于連續(xù)半導體激光器的測 量裝置相同，其裝置如圖3所示；本裝置測量待測平面高反鏡反射率的具體步驟與基于脈沖激 光器的高反射率測量裝置用于測量待測平面高反鏡的反射率的具體過程相同；各組件的參數(shù)性 能及要求均與基于脈沖激光器的高反射率測量裝置中對應組件的參數(shù)性能及要求相同。
權利要求
1、一種用于測量高反射率的裝置，其中光電探測器(7)將光信號轉(zhuǎn)換成的電信號，由數(shù)據(jù)采集卡(8)記錄并輸入計算機(9)處理及存儲，計算機(9)控制數(shù)據(jù)采集卡(8)的采樣率、采集數(shù)據(jù)點長度以及采集電壓最大幅值；其特征在于入射腔鏡(3)和出射腔鏡(5)與平面高反鏡(4)共同構成穩(wěn)定的光學諧振腔作為初始衰蕩腔，入射腔鏡(3)和平面高反鏡(4)位于同一直線上，構成初始衰蕩腔的入射臂，出射腔鏡(5)和平面高反鏡(4)位于另一條直線上，構成初始衰蕩腔的出射臂，總腔長為L，入射臂和出射臂之間的夾角為θ；測試時，由光源(1)發(fā)出的光束經(jīng)匹配透鏡(2)進入上述衰蕩光腔，會聚透鏡(6)和光電探測器(7)置于平面高反鏡(4)后搜集和探測出射的光束；由光腔衰蕩技術探測并通過計算機(9)擬合得到初始腔衰蕩時間τ1；然后在出射臂插入待測平面高反鏡(14)，調(diào)節(jié)出射腔鏡(5)，形成穩(wěn)定的測試腔，再由光腔衰蕩技術探測并通過計算機(9)擬合得到測試腔衰蕩時間τ2；通過待測平面高反鏡的反射率公式計算，便可得到待測平面高反鏡的反射率。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種用于測量高反射率的裝置，其特征在于光源(1)可采用 光強可調(diào)制的連續(xù)半導體激光器，此時函數(shù)發(fā)生卡(10)與計算機(9)相連，計算機(9)控 制函數(shù)發(fā)生卡(10)的調(diào)制頻率、調(diào)制振幅以及偏置電壓，函數(shù)發(fā)生卡(10)輸出的方波函數(shù) 用于調(diào)制光源(1)所采用的半導體激光器的激勵電壓。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種用于測量高反射率的裝置，其特征在于光源(1)也可采 用脈沖激光器，此時不需要函數(shù)發(fā)生卡(10)來調(diào)制光源(1)，光源(1)直接輸出激光脈沖。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種用于測量高反射率的裝置，其特征在于所述的光源(1) 的激光波長若不在可見波段，則利用反射鏡(12)和分光鏡(13)引入準直光束激光器(11) 發(fā)出的可見激光束，用于調(diào)節(jié)衰蕩腔。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種用于測量高反射率的裝置，其特征在于所述的會聚透鏡(6) 和光電探測器(7)搜集和探測平行于入射臂方向或出射臂方向的出射激光束或同時搜集和探測 兩個方向的出射激光束。
6、 根據(jù)權利要求1所述的一種用于測量高反射率的裝置，其特征在于所述的入射臂比出射臂短，兩者之間的夾角^滿足5、"45。。
7、 根據(jù)權利要求1所述的一種用于測量高反射率的裝置，其特征在于所述的入射腔鏡(3)的反射率^和平面高反鏡(4)的反射率^滿足0.998^《^0.9999' 0.998Si 2 20.9999 '出 射腔鏡(5)的反射率及3滿足及3 ^0.9995，并且出射腔鏡(5)的反射率&高于入射腔鏡(3)的反射率&和平面高反鏡(4)的反射率/ 2。
8、根據(jù)權利要求1所述的一種用于測量高反射率的裝置，其特征在于所述在出射臂插入 待測平面髙反鏡(14)后所形成的測試角度a，即插入的待測平面高反鏡(14)的法線方向與 初始衰蕩腔出射臂的夾角"為卜85度。
全文摘要
一種用于測量高反射率的裝置，其中光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換后的電信號由數(shù)據(jù)采集卡記錄并輸給計算機處理及存儲，計算機同時控制數(shù)據(jù)采集卡的采集參數(shù)；其特征在于入射腔鏡和出射腔鏡與平面高反鏡共同構成穩(wěn)定的初始衰蕩腔，入射腔鏡和平面高反鏡構成初始衰蕩腔的入射臂，出射腔鏡和平面高反鏡構成初始衰蕩腔的出射臂；測試時，光源發(fā)出的光束經(jīng)匹配透鏡進入衰蕩腔，會聚透鏡和光電探測器置于平面高反鏡后探測光腔輸出信號，由光腔衰蕩技術測得初始腔衰蕩時間τ<sub>1</sub>，在出射臂插入待測平面鏡，調(diào)節(jié)出射腔鏡，形成穩(wěn)定的測試腔，同理可測得測試腔衰蕩時間τ<sub>2</sub>；計算可得待測平面鏡反射率；本發(fā)明所改進的裝置穩(wěn)定性好、測量精度高、容易調(diào)節(jié)，適合開發(fā)高反射率測量儀器。
文檔編號G01M11/02GK101261181SQ20081005565
公開日2008年9月10日 申請日期2008年1月4日 優(yōu)先權日2008年1月4日
發(fā)明者李斌成, 韓艷玲, 元 龔 申請人:中國科學院光電技術研究所