CN101126676B - 用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，属于对光学元件参数进行测量的技术领域。由两种方式实现激光束开关时刻的优化：优化方波调制频率和占空比，使方波下降沿的光腔输出信号平均振幅最大；当光腔输出信号振幅大于设定的阈值时由阈值触发电路关断激光束，下一个方波周期的上升沿重新开启激光束。本发明通过优化激光束的开关时刻提高衰荡信号的信噪比，从而提高高反射率测量精度。

Description

用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法

技术领域

本发明涉及一种测量光学元件参数的方法，特别地涉及一种用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法。

背景技术

高反射率光学元件在激光***中的广泛使用迫切要求精确测量高反射率，而传统方法已无法满足高反射率的测量精度要求。中国专利申请号98114152.8，公开号CN1242516A，公开日期2000年1月26日的发明专利公开了“一种反射镜高反射率的测量方法”，采用脉冲激光***作光源，入射到两块高反镜组成的光学谐振腔，接收光腔指数衰荡信号，分别确定直腔衰荡时间τ-和折叠腔衰荡时间τ＜，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***造价高，不利于推广使用。中国专利申请号200610011254.9，公开号CN1804572A，公开日期2006年7月19目的发明专利申请提供了“一种高反镜反射率的测量方法”；2006年9月出版的《中国激光》，龚元，李斌成，第33卷第9期1247-1250页，公开了一种“连续激光光腔衰荡法精确测量高反射率”的方法，它们都提出了一种以连续半导体激光器作光源的高反射率测量方法，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荡和相位延迟，从而得到光腔衰荡时间和高反镜反射率。该方法中激光功率到衰荡腔的耦合效率不高。中国专利申请号200610165082.0，公开号CN1963435A，公开日期2007年5月16日的发明专利公开的“高反镜反射率测量方法”和中国专利申请号200710098755.X的发明专利申请“基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量方法”通过简单的机械装置或光学元器件来控制从第一块腔镜反射回激光器的后向反馈光光强，使半导体激光器输出光谱特性发生改变，大幅度提高激光束耦合进衰荡光腔的效率，使光腔输出信号中出现幅值很大的尖峰信号。此尖峰信号用来得到指数衰荡信号，并拟合得到腔镜和测试镜的反射率。该方法能高精度测量高反射率，且成本低、装置简单。然而，虽然尖峰在一个周期内出现的位置相对稳定，但出现的具***置有一定的随机特性，而且振幅波动较大，使衰荡信号的信噪比和高反射率测量精度降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，该方法用来确定最大尖峰出现频率最高的时刻，在该时刻关断激光束并记录指数衰减信号，从而提高衰荡信号的信噪比，并进一步提高高反射率测量精度。

本发明的技术解决问题：用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于由以下方案之一实现：

(1)用函数发生器或函数发生卡输出的方波调制半导体激光器激励电流或电压，方波上升沿和下降沿分别对应开启或关断半导体激光器。确定光腔输出信号最大振幅出现的时刻与方波上升沿之间的时间间隔

在此基础上，优化方波调制频率f和/或占空比P使光腔输出信号最大振幅处于方波下降沿，从而关断激光束，同时触发采集指数衰减信号，经过时间Δt₂后，由下一个周期的方波上升沿重新开启激光束，重复上述过程实现衰荡信号和高反射率的重复测量。

(2)由阈值触发电路输出的方波调制激光束，方波的上升沿和下降沿分别对应开启或关断激光束。当光腔输出信号振幅大于预先设定的阈值时，阈值触发电路快速关断其输出电流形成下降沿关断激光束，同时触发采集指数衰减信号，经过时间Δt₃后，由下一个周期的方波上升沿重新开启激光束，重复上述过程实现衰荡信号和高反射率的重复测量；

所述方案(1)和方案(2)通过以下途径之一开关激光束：

(1)用方波调制半导体激光器的激励电流或电压实现开启或关断激光束；

(2)激光器本身不调制，激光束连续输出，在激光器与衰荡腔之间***电光或声光开关，用方波调制光开关的激励电流或电压实现开启或关断激光束。

所述方案(1)和方案(2)中优化前方波调制频率f的初始值范围为1Hz～1MHz。

所述方案(1)和方案(2)中优化前占空比P的初始值范围为10000∶1～1∶100。

所述方案(1)中的

为多个Δt₁的统计平均值，Δt₁表示一个周期内最大振幅出现的时刻与本周期方波上升沿之间的时间间隔。

所述方案(1)通过控制调制频率f和/或占空比P来实现开关激光束的时序优化，有以下三种形式实现调制频率和占空比的优化：

(1)调制频率f保持不变，占空比P变为 $p=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{t}_1}/\mathrm{\Δ}{t}_2,$ 其中 $\mathrm{\Δ}{t}_2=T-\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{t}_1},$ T＝1/f；

(2)调制频率f变为 $f=P/\left[(1+P)\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}\right],$ 占空比P保持不变，其中占空比初始取值满足 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}/10000\mathrm{\&tau;}<P<\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}/5\mathrm{\&tau;};$

(3)调制频率f变为 $f=1/(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}+\mathrm{\&Delta;}{t}_2),$ 占空比P变为 $P=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}/\mathrm{\&Delta;}{t}_2,$ 其中Δt₂为衰荡时间τ的整数倍，即Δt₂＝kτ，τ由未进行时序优化的衰荡信号大致确定，k值视具体情况而定，范围为5＜k＜10000。

所述方案(2)中的阈值由阈值触发电路设定，在5mV～5V之间可调，初始值为光腔输出信号最大峰值，若设置的阈值在一定时间内不能触发关断激光束则阈值自动小幅下调直到能触发为止。

所述方案(2)中的方波由阈值触发电路本身生成、或由函数发生器或函数发生卡生成后输入至阈值触发电路并由阈值触发电路转换后输出。

所述方案(2)中的Δt₃由以下两种方式确定：

(1)方波调制频率保持不变，每个周期的Δt₃由触发时刻到下一个方波周期的上升沿之间的时间间隔确定，Δt₃因触发关断激光束时刻Δt₁的改变而被动改变，即Δt₃＝1/f-Δt₁。

(2)Δt₃保持不变，取值为衰荡时间τ的整数倍，即Δt₃＝kτ，τ由未进行时序优化的衰荡信号大致确定，k值视具体情况而定，范围为5＜k＜10000。此时方波调制频率因触发关断激光束时刻Δt₁的改变而被动改变，即f＝1/(Δt₃+Δt₁)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)在光腔输出信号最大尖峰出现频率最高的时刻关断激光束并记录指数衰减信号，提高了衰荡信号信噪比，有利于进一步提高高反射率测量精度。

(2)方式(1)不需触发电路，装置比方式(2)更简单，可有效降低***成本。

附图说明

图1为本发明基于函数发生卡的直腔高反射率测量装置实施例的示意图；

图2为本发明的未经时序优化的输入方波(a)和光腔输出信号(b)以及按方案(1)进行时序优化后的输入方波(c)和光腔输出信号(d)；

图3为本发明的折叠腔构型示意图；

图4为本发明的时序优化后探测的光腔衰荡信号及拟合曲线；

图5为本发明基于阈值触发电路的直腔高反射率测量装置示意图；

图6为本发明的未经时序优化的输入方波(a)以及按方案(2)进行时序优化后的输入方波(b)和光腔输出信号(c)；

具体实施方式

实施例1：

实施例1详细说明了本发明的开启和关断激光束的时序优化方案(1)。图1为本发明基于函数发生卡的直腔高反射率测量装置示意图。如图1所示，测量装置由函数发生卡1、光源2、空间滤波和望远***3、平凹高反镜4，5、透镜6、探测器7、数据采集卡8和计算机9组成。图中的粗线表示光路，细线表示信号线相连。

函数发生卡1输出两路方波信号，一路方波信号用于调制连续半导体激光器2的激励电流或电压，使激光输出功率方波调制，方波上升沿和下降沿分别对应开启和关闭激光束。另一路方波信号用于触发数据采集卡8在方波下降沿关断激光束后记录指数衰减信号。空间滤波和望远***3由两块透镜和一个针孔组成，用于将光源2输出的激光束整形成基模并与光腔模式匹配，也可不采用空间滤波和望远***3，即不经模式匹配直接将激光束耦合进光腔。两块相同的平凹高反镜4、5，其凹面镀高反膜，反射率大于99％，凹面相对构成直腔。激光束在腔内多次反射后输出，经透镜6会聚后由探测器7接收。探测器7将光信号转换成电信号。与方波下降沿关断激光束同时，触发信号触发数据采集卡8记录指数衰减信号，并由计算机9进行数据处理及存储。关断激光束间隔时间Δt₂后重新开启激光输出。重复上述步骤以实现衰荡信号和高反射率的多次重复测量。函数发生卡1和数据采集卡8通过PCI总线直接由计算机9控制。

如图2(a)所示，时序优化前，函数发生卡1输出调制频率为f＝1kHz，占空比为1∶1的方波信号，周期为1/f＝1ms。对应的光腔输出信号如图2(b)所示。时序优化前的调制频率取值范围为1Hz～1MHz，占空比P的取值范围为10000∶1～1∶100，两者同时取值使方波低电平持续时间大于5倍衰荡时间。虽然方波下降沿关闭激光器后可以记录到衰荡信号，但由于未经时序优化，下降沿的衰荡信号振幅一般较小，信噪比低，不利于高精度测量高反射率。

光腔衰荡信号中最大振幅在每个周期内出现的位置相对稳定，但也有一定的随机特性。用Δt₁表示一个周期内最大振幅出现的时刻与本周期方波上升沿之间的时间间隔，每个周期的Δt₁略有不同。图2(b)标出了其中一个周期最大振幅出现的位置Δt₁。

表示多个Δt₁的统计平均值，也是最大振幅出现频率最高的位置，用来优化调制频率和占空比。

本发明的开启和关断激光束的时序优化方式(1)通过控制调制频率f和占空比P来实现开关激光束的时序优化，有以下三种形式实现调制频率和占空比的优化：

(1)调制频率f保持不变，占空比P变为 $P=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}/\mathrm{\&Delta;}{t}_2,$ 其中 $\mathrm{\&Delta;}{t}_2=T-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1},$ T＝1/f；

(2)调制频率f变为 $f=P/\left[(1+P)\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}\right],$ 占空比P保持不变，其中占空比初始取值满足 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}/10000\mathrm{\&tau;}<P<\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}/5\mathrm{\&tau;};$

(3)调制频率f变为 $f=1/(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}+\mathrm{\&Delta;}{t}_2),$ 占空比P变为 $P=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}/\mathrm{\&Delta;}{t}_2,$ 其中Δt₂为衰荡时间τ的整数倍，即Δt₂＝kτ，τ由未进行时序优化的衰荡信号大致确定，k值视具体情况而定，范围为5＜k＜10000。

实施例1采用上述第二种调制频率和占空比的优化方法，占空比为1∶1，即 $\mathrm{\&Delta;}{t}_2=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1},$ 如图2(c)(d)所示。先探测多个周期的Δt₁，并求其统计平均值

控制函数发生卡输出方波的调制频率使其变为 $f=1/2\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{t}_1}.$ 在此调制频率时，方波下降沿触发数据采集卡记录的衰荡信号平均振幅最大。由数据采集卡8记录的衰荡信号输入计算机9，拟合得到直腔衰荡时间τ₁，如图3所示。由R＝1-L/cτ₁计算得到腔镜反射率。***待测平面镜10，形成折叠腔，如图4所示。重复上述过程，拟合得到折叠腔衰荡时间τ₂，由R_x＝exp(L/cτ₁-L/cτ₂)计算得到待测平面镜反射率。

实施例2：

实施例2详细说明了本发明的开启和关断激光束的时序优化方案(2)。图5为本发明基于阈值触发电路的直腔高反射率测量装置示意图。如图5所示，测量装置由光源2、空间滤波和望远***3、平凹高反镜4，5、透镜6、探测器7、数据采集卡8、计算机9和阈值触发电路11组成。图中的粗线表示光路，细线表示信号线相连。

实施例2测量装置与中国专利申请号200610165082.0，公开号CN1963435A，公开日期2007年5月16日的发明专利公开的“高反镜反射率测量方法”的实施例测量装置相同，但本发明的实施例2重点在于说明基于阈值触发电路的开关激光束的时序优化方法。光源2采用连续半导体激光器。空间滤波和望远***3由两块透镜和一个针孔组成，用于将光源2输出的激光束整形成基模并与光腔模式匹配，也可不采用空间滤波和望远***3，即不经模式匹配直接将激光束耦合进光腔。两块相同的平凹高反镜4、5，其凹面镀高反膜，反射率大于99％，凹面相对构成直腔谐振腔。激光束在谐振腔内多次反射后输出，经透镜6会聚后由探测器7接收。探测器7将光信号转换成电信号，并同时输出到数据采集卡8和阈值触发电路11。阈值触发电路11用来比较设定的阈值和光腔输出信号振幅的大小。当光腔输出信号振幅大于设定的阈值时，阈值触发电路11关断激光束并同时触发数据采集卡8记录关断激光束后的指数衰减信号。数据采集卡8记录指数衰减信号并送入计算机9进行处理。关断激光束间隔时间Δt₃后重新开启激光输出。重复上述步骤以实现衰荡信号和高反射率的多次重复测量。

本实施例2中，阈值触发电路11通过改变半导体激光器的激励电流或电压快速关闭激光输出，从而得到指数衰减信号。也可在激光器与衰荡腔之间***电光或声光开关，由阈值触发电路控制光开关激励电流或电压来开启或关断激光束。

本实施例2中，时序优化前的方波直接由阈值触发电路生成，用于调制半导体激光器的激励电流，当光腔输出信号振幅大于阈值时关断半导体激光器的激励电流。方波也可由函数发生器(或函数发生卡)生成后输入阈值触发电路，再由阈值触发电路输出作为半导体激光器的激励电流调制信号。方波调制频率取值范围为1Hz～1MHz，占空比P的取值范围为10000∶1～1∶100，两者同时取值使方波低电平持续时间大于5倍衰荡时间。

如图6(a)所示，时序优化前，阈值触发电路输出调制频率为f＝1kHz，占空比为1∶1的方波信号，周期为1/f＝1ms。阈值触发电路设置阈值为153mV。当光腔输出信号距上升沿约0.29ms时振幅超过阈值，阈值触发电路快速关断半导体激光器激励电流，形成方波下降沿，如图6(b)所示。下降沿关断激光束后得到光腔指数衰减信号，如图6(c)所示。图6(c)中虚线表示设置的阈值。与下降沿关断激光束同时，阈值触发电路触发数据采集卡记录指数衰减信号，并送入计算机进行拟合得到衰荡时间和反射率结果。衰减信号的处理以及腔镜、待测平面镜反射率计算过程与实施例1相同。当经历一段时间Δt₃后，下一个方波周期的上升沿开启激光束，重复上述步骤以实现衰荡信号和高反射率的多次重复测量。

本实施例2中方波调制频率保持不变，f＝1kHz。由于每个周期尖峰出现的具***置有一定的随机特性，因此每个周期的触发时刻Δt₁有所不同。Δt₃由触发时刻到下一个方波周期的上升沿之间的时间间隔确定，因此Δt₃随触发关断激光束时刻Δt₁的改变而被动改变，即Δt₃＝1/f-Δt₁。也可采用以下方式：Δt₃保持不变，取值为衰荡时间τ的整数倍，即Δt₃＝kτ，τ由未进行时序优化的衰荡信号大致确定，k值视具体情况而定，范围为5＜k＜10000。此时方波调制频率因触发关断激光束时刻Δt₁的改变而被动改变，即f＝1/(Δt₃+Δt₁)。

Claims (9)

1.用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：采用函数发生器或函数发生卡输出的方波调制半导体激光器，方波上升沿和下降沿分别对应开启或关断半导体激光器，确定光腔输出信号最大振幅出现的时刻与方波上升沿之间的时间间隔

在此基础上，优化方波调制频率f和占空比P、或优化方波调制频率f或占空比P使光腔输出信号最大振幅处于方波下降沿，从而关断激光束，同时触发采集指数衰减信号，经过时间Δt₂后，由下一个周期的方波上升沿重新开启激光束，重复上述过程实现衰荡信号和高反射率的重复测量。

2.根据权利要求1所述的用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：所述采用方波调制半导体激光器通过以下途径实现：用方波调制半导体激光器的激励电流或电压实现开启或关断激光束。

3.根据权利要求1所述的用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：所述方波调制频率f的初始值范围为1Hz～1MHz，所述占空比P的初始值范围为10000∶1～1∶100。

4.根据权利要求1所述的用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：所述的光腔输出信号最大振幅出现的时刻与方波上升沿之间的时间间隔

为多个Δt₁的统计平均值，Δt₁表示一个周期内最大振幅出现的时刻与本周期方波上升沿之间的时间间隔。

5.根据权利要求1所述的用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：所述的优化方波调制频率f和占空比P、或优化方波调制频率f或占空比P有以下三种形式之一实现：

(1)调制频率f保持不变，占空比P变为

其中

T＝1/f；

(2)调制频率f变为

占空比P保持不变，其中占空比初始取值满足

(3)调制频率f变为

占空比P变为

其中Δt₂为衰荡时间τ的整数倍，即Δt₂＝kτ，τ由未进行时序优化的衰荡信号大致确定，k值视具体情况而定，范围为5＜k＜10000。

6.用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：由阈值触发电路输出的方波调制激光束，方波的上升沿和下降沿分别对应开启或关断激光束，当光腔输出信号振幅大于预先设定的阈值时，阈值触发电路快速关断其输出电流形成下降沿关断激光束，同时触发采集指数衰减信号，经过时间Δt₃后，由下一个周期的方波上升沿重新开启激光束，重复上述过程实现衰荡信号和高反射率的重复测量；

所述的Δt₃由以下两种方式确定：

(1)方波调制频率保持不变，每个周期的Δt₃由触发时刻到下一个方波周期的上升沿之间的时间间隔确定，Δt₃因触发关断激光束时刻Δt₁的改变而被动改变，即Δt₃＝1/f-Δt₁；

(2)Δt₃保持不变，取值为衰荡时间τ的整数倍，即Δt₃＝kτ，τ由未进行时序优化的衰荡信号大致确定，k值视具体情况而定，范围为5＜k＜10000，此时方波调制频率因触发关断激光束时刻Δt₁的改变而被动改变，即f＝1/(Δt₃+Δt₁)。

7.根据权利要求6所述的用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：所述方波调制频率f的初始值范围为1Hz～1MHz。

8.根据权利要求6所述的用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：所述的阈值由阈值触发电路设定，在5mV～5V之间可调，初始值为光腔输出信号最大峰值，若设置的阈值在一定时间内不能触发关断激光束则阈值自动小幅下调直到能触发为止。

9.根据权利要求6所述的用于高反射率测量的开关激光束的时序优化方法，其特征在于：所述的方波由阈值触发电路本身生成、或由函数发生器或函数发生卡生成后输入至阈值触发电路并由阈值触发电路转换后输出。

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