CN102252828A - 一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法 - Google Patents

Abstract

一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，由与待测光学元件同波段的高反射镜组成一个初始光学谐振腔，将探测激光束入射到该光学谐振腔，记录探测激光束的衰荡时间τ₀；将待测光学元件***初始光学谐振腔，构成测试光学谐振腔。将辐照激光束聚焦到待测光学元件表面探测激光束位置，不断增加辐照激光能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数，同时记录不同辐照激光能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数下探测激光束衰荡时间τ(n)，从而可得在不同辐照激光能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数情况下，待测高反射光学元件反射率实时变化情况。本发明简单，测量灵敏度高且实用性强。

Description

一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法

技术领域

本发明涉及一种监测光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，特别涉及一种测量高反射率薄膜在激光辐照下反射率实时变化的方法。

背景技术

随着高功率激光技术及其应用范围的日益扩大，高反射率光学薄膜反射性能的重要性日益突出，以致反射率已成为光学薄膜不可缺少的性能指标。在复杂的大型激光***中，高反射率光学元件的抗高功率激光辐照能力及其在高功率激光辐照下的性能稳定性与激光***能否正常运行密切相关。只有定量地测出光学薄膜在高功率激光辐照下的反射率，才有可能为进一步提高光学薄膜质量开展相应的研究工作，其在高功率辐照环境中的反射率直接反应光学元件质量的高低，因而对光学薄膜反射率在高功率辐照环境中的测试也就成了亟待解决的技术问题。

对于反射率大于99.9％的光学元件反射率测量主要基于光腔衰荡技术(李斌成，龚元；光腔衰荡高反射率测量综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203；Angela Duparre，Detlev Ristau；Optical Interference Coatings 2010 Measurement Problem，Appl.Opt.，2010，50：C172)。中国专利申请号98114152.8的发明专利“一种反镜高反射率的测量方法”，采用脉冲激光***作光源。中国专利申请号200610011254.9的发明专利“一种高反镜反射率的测量方法”、中国专利申请号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“基于半导体自混合效应的高反射率测量方法”、中国专利申请号200810102778.8的发明专利“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”以及中国专利申请号200810055635.4的发明专利“一种用于测量高反射率的装置”均使用连续光腔衰荡技术测量高反射率。光腔衰荡技术解决了高反射率光学元件反射率测量的问题，其反射率测量范围为98％～99.9999％甚至更高。

上述各种测量方法对光学薄膜反射率的测量都是在相对较弱的激光测试环境中，所测得的反射率结果不能反映光学元件在实际高功率激光辐照运行环境中的情况。为了能更好的评估高反射光学薄膜在高功率激光辐照环境中的在线工作性能，发展一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法和装置是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有高反射光学薄膜反射率测量方法的不足，提出了一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，该方法可以实时监测高反射光学元件在高功率激光辐照下反射率的实时变化情况，并具有结构简单，灵敏度高，实用性强等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据光腔衰荡技术理论，首先由高反射镜组成一个初始光学谐振腔，测量初始光学谐振腔输出光腔衰荡信号，按单指数衰减函数拟合出初始光学谐振腔中探测激光束衰荡时间。然后在初始光学谐振腔中***待测光学元件，构成一个测试光学谐振腔，用辐照激光照射待测光学元件，并不断增加辐照激光的能量密度或照射时间或总辐照脉冲次数，同时监测测试光学谐振腔中探测激光束的衰荡时间。通过测试光学谐振腔中探测激光束衰荡时间的变化和初始光学谐振腔中探测激光束的衰荡时间即可计算出待测光学元件反射率的实时变化情况。

具体实现步骤如下：

(1)由与待测光学元件同波段的高反射镜组成一个初始光学谐振腔，将探测激光束入射到初始光学谐振腔，记录初始光学谐振腔输出的光腔衰荡信号，按单指数衰减函数拟合出探测激光束的衰荡时间τ₀。

(2)将待测光学元件***初始光学谐振腔，构成测试光学谐振腔。然后将辐照激光束按使用角度并聚焦到待测光学元件表面探测激光束位置，改变辐照激光束能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数。同时记录测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号，按单指数衰减函数拟合出不同辐照激光束能量密度或辐照时间或总辐照脉冲次数下探测激光束的衰荡时间τ(n)，其中n代表辐照激光束能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数。

(3)由τ₀和τ(n)计算出不同辐照激光束能量密度或辐照时间或总辐照脉冲次数下待测光学元件的反射率R(n)，待测光学元件反射率实时变化量ΔR_n＝R₀-R(n)，其中R₀为n＝0即辐照激光束未开启时待测光学元件反射率。

所述的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔通过如下两种组合方式之一实现：

(1)两块相同的平凹高反射镜凹面相对垂直于光轴放置组成稳定的初始光学谐振腔，探测激光束从第一块平凹高反射镜中心沿光轴进入初始光学谐振腔，垂直入射到第二块平凹高反射镜；保持第一块平凹高反射镜位置不动，在两平凹高反射镜之间加入待测光学元件，探测激光束透过第一块平凹高反射镜后入射到待测光学元件，入射角为待测光学元件使用角度，反射光垂直入射到第二块平凹高反射镜，构成测试光学谐振腔；

(2)由两块相同的平凹高反射镜和一块平面高反射镜构成稳定的初始光学谐振腔，平面高反射镜为入射腔镜且倾斜于光轴放置，探测激光束沿光轴从该平面高反射镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反射镜，探测激光束被第一块平凹高反射镜反射后按原路返回至平面高反射镜，然后又被平面高反射镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹双波长高反射镜；在初始光学谐振腔的第二块平凹高反射镜和平面高反射镜之间***待测光学元件，探测激光束透过平面高反射镜后，先后经过第一块平凹高反射镜和平面高反射镜后，入射到待测光学元件，入射角为待测光学元使用角度，从待测光学元反射的探测激光束垂直入射到第二块平凹高反射镜，构成测试光学谐振腔。

所述组成光学谐振腔的两块平凹高反射镜、平面高反射镜和待测光学元件在探测激光束输出波长处反射率均大于98％。

所述光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，光学谐振腔腔长L满足0＜L＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。

所述探测激光束可以是连续光束或脉冲光束。

所述辐照激光束可以是连续光束或脉冲光束。

所述待测光学元件可置于二维位移平台上，通过移动二维位移平台可以实现待测光学元件反射率变化的二维成像测试。

所述待测光学元件反射率计算公式为：R(n)＝exp(L₀/cτ₀-L₁/cτ(n))，其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，c为光速。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明提供一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时的方法，该方法可以在线实时监测高反射光学薄膜在高功率激光辐照下反射率的变化情况。适用于各波段高反射光学薄膜在激光辐照下反射率实时变化的监测，且测量结果不受探测激光束功率波动的影响，整个***结构简单。同时该方法具有快速，准确，高灵敏度，实时在线检测等优点。

附图说明

图1为本发明的基于“Z”型测试光学谐振腔的测量装置示意图；

图2为本发明的与“Z”型测试光学谐振腔对应的“V”型的初始光学谐振腔测量装置示意图；

图3为本发明的基于折叠型测试光学谐振腔的测量装置示意图；

图4为本发明的与折叠型测试光学谐振腔对应的直型初始光学谐振腔测量装置示意图；

图5为本发明的待测光学元件在高功率激光辐照下反射率实时变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图1所述的***描述本发明的一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的测量方法。图1中：1为探测激光光源、2和21为可见辅助光源、3和22为反射镜、4和23为双光束分光镜、5和6为平凹高反射镜、7为平面高反射镜、8为聚焦透镜、9为待测光学元件、10为光电探测器、11为数据采集卡、12为计算机、13为高功率辐照激光光源、14为可变衰减器、15为光束整形单元、16为聚焦***、17和18为分光镜、19为光束诊断单元、20为激光能量/功率计，其中平凹高反射镜6为输出腔镜，所述的平凹高反射镜5和6均为凹面镀有高反射光学薄膜，图中粗线为光路，细线为连接线。

探测激光光源1选用脉冲激光器或连续半导体激光器，在选用连续半导体激光器时，采用方波调制输出。“Z”型测试光学谐振腔由平面高反射镜7、平凹高反射镜5和6以及待测光学元件9组成，它们在探测激光光源1输出波长处的反射率均大于98％，“Z”型光学谐振腔腔长L₁满足0＜L₁＜2r，其中r为平凹高反射镜5和6凹面的曲率半径，平面高反射镜7为入射腔镜且倾斜于光轴放置，平凹高反射镜6为输出腔镜。探测激光光源1输出探测激光束从平面高反射镜7透射后垂直入射到垂直于光轴放置的平凹高反射镜6，探测激光束被平凹高反射镜6反射后按原路返回至平面高反射镜7，然后又被平面高反射镜7再次反射，反射光入射到待测光学元件9，待测光学元件9的反射光垂直入射到平凹高反射镜5。从输出腔镜即平凹高反射镜6输出的探测激光束由聚焦透镜8聚焦到光电探测器10，光电探测器10探测测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号，光电探测器10输出的电信号由数据采集卡11记录并输出计算机12存储及处理。

图2给出了与“Z”型测试光学谐振腔对应的“V”型初始光学谐振腔，由平凹高反射镜5和6以及平面高反射镜7组成，它们在探测激光光源1输出波长处的反射率均大于98％，“V”型初始光学谐振腔腔长L₀满足0＜L₀＜2r，其中r为平凹高反射镜5和6凹面的曲率半径。探测激光光源1输出探测激光束透过垂直于光轴放置的平凹高反射镜5，透射光入射到平面高反射镜7，被平面高反射镜7反射，反射光垂直入射到平凹高反射镜6。从输出腔镜即平凹高反射镜6输出的探测激光束由聚焦透镜8聚焦到光电探测器10，光电探测器10探测光学谐振腔输出的光腔衰荡信号。

高功率辐照激光光源13输出光束通过可变衰减器14调节，调节后经光束整形单元15整形，由聚焦***16聚焦到待测光学元件9表面，辐照激光束和探测激光束在待测光学元件9表面上的光斑位置重合。分光镜17和18在高功率辐照激光光源13输出光波长处有高透过率(T＞95％)，分光镜17和18分别将小部分高功率辐照激光光源13输出光分束到和激光能量/功率计20。高功率辐照激光光源13可以是连续激光或脉冲激光，通过激光能量/功率计20和光束诊断单元19算出聚焦到待测光学元件9表面的辐照激光能量或能量密度或功率密度，通过计算机12可以得到高功率辐照激光光源13的辐照时间和总辐照脉冲次数。

在探测激光束光源1为方波调制的连续半导体激光器时，在入射探测激光束被快速关断时即在调制方波下降沿，初始(测试)光学谐振腔输出信号中形成一个光腔衰荡信号；在探测激光光源1为脉冲激光器时，入射到初始(测试)光学谐振腔的每一个脉冲都会在初始(测试)光学谐振腔输出信号中形成一个光腔衰荡信号。可见辅助光源2和21、反射镜3和22以及双光束分光镜4和23用于当探测激光光源1和高功率辐照激光光源13为不可见光时辅助光路调节。若探测激光光源1和高功率辐照激光光源13为可见光时，则不需要可见辅助光源2和21、反射镜3和22以及双光束分光镜4和23。

具体实施过程如下：

首先，在“V”初始光学谐振腔情况下，将光电探测器10探测的初始光学谐振腔输出光腔衰荡信号按单指数衰减函数：I(t)＝C₁exp(-t/τ₀)+C₂(C₁，C₂为常系数)拟合出“V”型初始光学谐振腔情况下探测激光束的衰荡时间τ₀。

然后，在“V”型初始光学谐振腔中***待测光学元件9，构成“Z”型测试光学谐振腔。开启高功率辐照激光光源13，改变高功率辐照激光光源13的能量密度或辐照时间或总辐照脉冲次数，与此同时，光电探测器10探测的测试光学谐振腔输出光腔衰荡信号，按单指数衰减函数：I(t)＝C₃exp(-t/τ(n))+C₄(C₃，C₄为常系数)拟合出“Z”型测试光学谐振腔情况下探测激光束的衰荡时间τ(n)，其中n为辐照激光束能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数。

根据公式：R(n)＝exp(L₀/cτ₀-L₁/cτ(n))计算出待测光学元件在不同辐照激光束能量密度或辐照时间或总辐照脉冲次数下的反射率，其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，c为光速。待测光学元件9反射率实时变化量ΔR_n＝R₀-R(n)，其中R₀为n＝0即高功率辐照激光光源13未开启时待测光学元件9的反射率。

图3给出了折叠型测试光学谐振腔的结构示意图。折叠型测试光学谐振腔由平凹高反射镜5和6以及待测光学元件9组成，它们在探测激光光源1输出波长处的反射率均大于98％，折叠型测试光学谐振腔腔长L₁满足0＜L₁＜2r，其中r为平凹高反射镜5和6凹面的曲率半径。探测激光光源1输出探测激光束透过垂直于光轴放置的平凹高反射镜5，透射光入射到待测光学元件9，被待测光学元件9反射，反射光垂直入射到平凹高反射镜6。从输出腔镜即平凹高反射镜6输出的探测激光束由聚焦透镜8聚焦到光电探测器10，光电探测器10探测测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号。高功率辐照激光光源13输出光束通过可变衰减器14调节，调节后经光束整形单元15整形，由聚焦***16聚焦到待测光学元件9表面，辐照激光束和探测激光束在待测光学元件9表面上的光斑位置重合。

图4中给出了与折叠型测试光学谐振腔对应的直型初始光学谐振腔，由平凹高反射镜5和6组成，凹面相对垂直于光轴放置。平凹高反射镜5和6在探测激光光源1输出波长处的反射率均大于98％，初始光学谐振腔腔长L₀满足0＜L₀＜2r，其中r为平凹高反射镜5和6凹面的曲率半径。探测激光光源1输出探测激光束透过垂直于光轴放置的平凹高反射镜5，透射光垂直入射到平凹高反射镜6。从输出腔镜即平凹高反射镜6输出的探测激光束由聚焦透镜8聚焦到光电探测器10，光电探测器10探测光学谐振腔输出的光腔衰荡信号。

图5给出了待测光学元件9在高功率辐照激光光源13辐照下反射率实时变化的示意图。当n小于n₁时(n代表辐照激光束能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数)，待测光学元件9的反射率未发生明显的变化；当n大于n₁时，随着n的增加，待测光学元件9的反射率逐渐下降。图5中n₂代表待测光学元件9表明光学薄膜的损失阈值，当n达到n₂时，待测光学元件9表明光学薄膜被损坏。

上述各种测试结构中，都可将待测光学元件9置于二维位移平台上，实现待测光学元件9表面多点反射率的扫描测量。

总之，本发明提出了一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的测量方法，可以测量从紫外到中远红外的各类高反射光学薄膜在激光辐照下反射率实时变化情况。该实现方法的整个***结构简单，同时该方法具有快速，准确，灵敏度高，实时在线检测等优点。

Claims (6)

1.一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)由与待测光学元件同波段的高反射镜组成一个初始光学谐振腔，将探测激光束入射到初始光学谐振腔，记录初始光学谐振腔输出的光腔衰荡信号，按单指数衰减函数拟合出探测激光束的衰荡时间τ₀；所述的初始光学谐振腔有两种实现方式，一种是由两块相同的平凹高反射镜凹面相对垂直于光轴放置组成直型初始光学谐振腔，探测激光束从第一块平凹高反射镜中心沿光轴进入，垂直入射到第二块平凹高反射镜；另一种是由两块相同的平凹高反射镜和一块平面高反射镜构成“V”型初始光学谐振腔，平面高反射镜为入射腔镜且倾斜于光轴放置，探测激光束沿光轴从该平面高反射镜透射后垂直入射到垂直于光轴放置的第一块平凹高反射镜，探测激光束被第一块平凹高反射镜反射后按原路返回至平面高反射镜，然后又被平面高反射镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹双波长高反射镜；

(2)将待测光学元件***初始光学谐振腔，构成测试光学谐振腔，然后将辐照激光束按使用角度并聚焦到待测光学元件表面探测激光束位置，改变辐照激光束能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数，同时记录测试光学谐振腔输出的光腔衰荡信号，按单指数衰减函数拟合出不同辐照激光束能量密度或辐照时间或总辐照脉冲次数下探测激光束的衰荡时间τ(n)，其中n代表辐照激光束能量密度或辐照时间或辐照脉冲次数；所述测试光学谐振腔有两种实现方式，第一种为与步骤(1)中的直型初始光学谐振腔相对应，保持第一块平凹高反射镜位置不动，在两平凹高反射镜之间加入待测光学元件，探测激光束透过第一块平凹高反射镜后入射到待测光学元件，入射角为待测光学元件使用角度，反射光垂直入射到第二块平凹高反射镜，构成折叠型测试光学谐振腔；第二种为与步骤(1)中的“V”型初始光学谐振腔相对应，在第二块平凹高反射镜和平面高反射镜之间***待测光学元件，探测激光束透过平面高反射镜后，先后经过第一块平凹高反射镜和平面高反射镜后，入射到待测光学元件，入射角为待测光学元使用角度，从待测光学元反射的探测激光束垂直入射到第二块平凹高反射镜，构成“Z”型测试光学谐振腔；

(3)由τ₀和τ(n)计算出不同辐照激光束能量密度或辐照时间或总辐照脉冲次数下待测光学元件的反射率R(n)，待测光学元件反射率实时变化量ΔR_n＝R₀-R(n)，其中R₀为n＝0即辐照激光束未开启时待测光学元件反射率，所述待测光学元件的反射率计算公式为：R(n)＝exp(L₀/cτ₀-L₁/cτ(n))，其中L₀为初始光学谐振腔腔长，L₁为测试光学谐振腔腔长，c为光速。

2.根据权利要求1所述的一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，其特征在于：所述的两块平凹高反射镜、平面高反射镜和待测光学元件在探测激光束输出波长处反射率均大于98％。

3.根据权利要求1所述的一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，其特征在于：所述光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，光学谐振腔腔长L满足0＜L＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，其特征在于：所述探测激光束可以是连续光束或脉冲光束。

5.根据权利要求1所述的一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，其特征在于：所述辐照激光束可以是连续光束或脉冲光束。

6.根据权利要求1所述的一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法，其特征在于：所述待测光学元件可置于二维位移平台上，通过移动二维位移平台可以实现待测光学元件反射率变化的二维成像测试。

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