CN104792501B - 一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，其特征在于：在基于光腔衰荡法测量大口径光学元件高反射率时，分析大口径光学元件反射率均匀性测试过程中待测光学元件不同位置反射率值与相应衰荡信号幅值间的关系，通过二次多项式拟合等处理方法，利用拟合参数及衰荡信号幅值计算得到待测光学元件反射率，通过与光腔衰荡方法得到反射率结果对比，印证了该方法的有效性。同时，利用拟合参数还可计算得到激光在衰荡腔内往返一次后两透射波相位延迟δ的余弦值cosδ，该值表征了所建立的光腔衰荡高反射率测试***光路调节状况，cosδ越接近于1说明光腔调节越好。
Description
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光学元件反射率的数据处理方法。
背景技术
近年来，高反射率薄膜光学元件在大型激光***、激光陀螺、引力波测量和痕量气体检测等领域得到了越来越广泛的应用。目前光腔衰荡技术是精确测量高反射光学元件反射率的主要方法(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)。中国专利申请号98114152.8的发明专利“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，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，计算得到待测光学元件的反射率Rx。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，而且所使用的脉冲激光器造价高，***成本高，不利于推广使用。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”提出将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，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，但对整个***的准直要求很高，且必须对腔镜进行精密调节。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方法，连续激光由方波调制并沿衰荡腔光轴入射，在调制方波的下降沿记录光腔衰荡信号，单指数拟合得到衰荡时间，进而得到反射率结果，具有测量精度高、光路容易调节等优点。上述方法均针对单点反射率测量，易亨瑜等提出的大口径反射率扫描***(易亨瑜,彭勇,胡晓阳；大口径元件反射率的镜面扫描精密测量***,《强激光与粒子束》,2005,17:1601)以1.315um的YAG激光器为光源实现了大口径反射光学元件直径方向的反射率扫描测量；中国专利申请号201010608932.6的发明专利“一种反射率综合测量方法”给出了反射率均匀性测量方法；中国专利申请号201210172475.X的发明专利“大口径反射光学元件高反射率扫描测量多波长集成方法”提出将多个不同波长的高反射率测量装置集成在一起，各波长激光器共用一台二维位移***，实现了一台测试仪器可以对多个波长处的高反射率二维成像扫描测量。
在这些反射率测量方法中，反射率均通过拟合衰荡信号获取衰荡时间得到，本专利作为现有技术的完善和补充，提出了一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，通过分析大口径反射元件反射率均匀性测试过程中待测光学元件不同位置反射率值与相应衰荡信号幅值间的关系，利用数据处理方法，实现由衰荡信号幅值计算得到待测光学元件反射率。同时还可分析得到光在衰荡腔来回反射时两次透射光间相位延迟的余弦值，用于判断衰荡光腔调节状况。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：作为现有技术的完善和补充，提出了一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，实现由衰荡信号幅值计算待测光学元件反射率。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，其特征在于：基于光腔衰荡法测量高反射光学元件的反射率，记录多次反射率值Rx及相应的衰荡信号幅值A，令y＝1/A、x＝Rx，利用二次多项式y＝a0+a1x+a2x2对所记录数据拟合得到各拟合系数a0、a1和a2；据待测腔透射光强函数有其中It(λ)为透射光强，Iin(λ)为入射光强，为初始腔平均反射率，R1、R2分别为耦合腔镜和出射腔镜反射率，δ为激光在衰荡腔内往返反射一次后两透射波相位延迟，则据可由测得幅值计算相应待测光学元件反射率，分析R'x与通过衰荡时间确定待测光学元件反射率Rx的差值，可验证该方法的有效性；同时，激光在本衰荡腔内往返一次后两透射波相位延迟δ余弦值可由计算得到，该值反映了所建立的光腔衰荡高反射率测试***光路的调节状况，光路调节时应使cosδ尽量接近于1。
其中，所述的光腔衰荡法测量高反射光学元件反射率所使用的初始腔可以为直型腔或折叠腔。
其中，所述的光腔衰荡法测量高反光学元件反射率所使用的激光光源可以为脉冲光源或连续光源。
其中，所述的记录多次反射率值为大口径光学元件不同位置的反射率，用于拟合的数据点数应大于等于10且数据点数越多拟合误差越小。
其中，所述的记录的衰荡信号幅值A为对测得的衰荡信号做单指数拟合y＝a*exp(-t/τ)+b时的拟合系数a或所记录衰荡信号前3点平均值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明提出了一种利用衰荡信号幅值计算待测光学元件反射率的处理方法，与现有技术结合，多种技术手段之间相互印证，可进一步减少测试过程的随机误差，提高测量准确性。
(2)、本发明同时利用cosδ值判断光腔调节情况的方法，可减少测试人员主观因素影响，减少因光腔失调引入的测试误差。
附图说明
图1为本发明实测的一组衰荡信号幅值倒数与待测光学元件反射率分布曲线及拟合曲线；
图2为本发明初始腔为直型腔的光腔衰荡高反射率测量***原理图；
图3为本发明初始腔为折叠腔的光腔衰荡高反射率测量***原理图；
图4为利用光腔衰荡法测得的一大口径反射率元件反射率分布图；
图5为利用衰荡信号幅值计算得到的该反射元件反射率分布图；
图6为分别利用衰荡信号幅值、衰荡时间得到的反射率的差值；
图中：1为激光器，2为模式匹配透镜组，3、4为腔镜，5为透镜，6为高速光电探测器，7为待测镜，8为数据采集卡，9为计算机，10为函数发生器或卡，11为准直光束激光器，12为反射镜，13为双色分光镜，14为平面高反镜。
具体实施方式
下面结合图1描述本发明的一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法。
光腔衰荡法高反射率测量***如图2、3所示，激光器以光强可调制的连续半导体激光器为例，其激励电压由函数发生器卡11方波调制，匹配透镜组2使激光器输出光束与衰荡腔模式匹配，当激光器2输出的激光发散角不太大时，测量***可去除匹配透镜组2；由两块平凹高反腔镜3、4构成直腔或由平面高反镜14和平凹高反腔镜3、4构成折叠腔作为初始衰荡腔，初始腔为稳定腔。从衰荡腔镜4透射的激光束由透镜5会聚到光电探测器6，光电探测器6将光信号转化为电信号，由数据采集卡8记录并输入计算机9处理及存储，在方波调制信号下降沿，激光束被关断，光腔输出信号呈指数衰减即光腔衰荡信号，由单指数函数y＝a*exp(-t/τ)+b拟合可得光腔衰荡时间τ。若激光器1激光输出波长不在可见波段，则利用反射镜12和双色分光镜13引入准直光束激光器12发出的可见光束，用于调节衰荡腔。首先测量初始腔的衰荡时间τ0；然后按所需测量入射角度***待测镜7并移动腔镜3或腔镜4及探测***，使其再次形成稳定衰荡腔，此衰荡腔作为测试衰荡腔，如图中虚线所示，测量测试腔衰荡时间τ1，则待测平面镜7反射率为Rx＝exp(L0/cτ0-L1/cτ1)，c为光速，L0、L1分别为初始腔及测试腔腔长，二者可以保持不变。
利用上述方法测量大口径反射光学元件不同位置反射率，待测光学元件的位置移动可由高精度的二维线性位移台实现，由及计算机记录多次反射率值Rx及相应的衰荡信号幅值A，令y＝1/A、x＝Rx，利用二次多项式y＝a0+a1x+a2x2对所测数据进行拟合。图1为实测一组衰荡信号幅值倒数与反射率关系曲线，所测数据为一口径260mm样品不同位置反射测量值，如图4所示，扫描区域直径200mm，步长5mm，所用初始腔为折叠型，初始腔平均反射率为99.9802％。拟合得到多项式各系数值分别为：a0＝64829294.92，a1＝-129644024.51，a2＝64814730.98。根据式可由测得衰荡信号幅度值计算相应反射率，R'x与Rx差值如图5所示，利用光腔衰荡法测得的反射率值与由衰荡信号幅值计算得到的待测光学元件反射率符合较好，二者偏差小于±0.004％。另据计算激光在衰荡腔内往返反射一次后两透射波相位延迟δ余弦cos(δ)＝0.999999995，cos(δ)非常接近1，说明相位延迟满足δ＝2mπ条件，透射光强达到最大值，光腔调节的很好。
Claims (5)
1.一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，其特征在于：基于光腔衰荡法测量高反射光学元件的反射率，记录多次反射率值Rx及相应的衰荡信号幅值A，令y＝1/A、x＝Rx，利用二次多项式y＝a0+a1x+a2x2对所记录数据拟合得到各拟合系数a0、a1和a2；据待测腔透射光强函数有 其中It(λ)为透射光强，Iin(λ)为入射光强，为初始腔平均反射率，R1、R2分别为耦合腔镜和出射腔镜反射率，δ为激光在衰荡腔内往返反射一次后两透射波相位延迟，则据可由测得幅值计算相应待测光学元件反射率，分析R'x与通过衰荡时间确定待测光学元件反射率Rx的差值，可验证该方法的有效性；同时，激光在本衰荡腔内往返一次后两透射波相位延迟δ余弦值可由计算得到，该余弦值反映了所建立的光腔衰荡高反射率测试***的光路调节状况，光路调节时应使cosδ尽量接近于1。
2.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，其特征在于：所述的光腔衰荡法测量高反射光学元件反射率所使用的初始腔为直型腔或折叠腔。
3.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，其特征在于：所述的光腔衰荡法测量高反射光学元件反射率所使用的激光光源为脉冲光源或连续光源。
4.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，其特征在于：所述的记录多次反射率值为大口径光学元件不同位置的反射率，用于拟合的数据点数应大于等于10且数据点数越多拟合误差越小。
5.根据权利要求1所述的一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法，其特征在于：所述的衰荡信号幅值A为对测得的衰荡信号做单指数拟合y＝a*exp(-t/τ)+b时的拟合系数a或所记录衰荡信号前3点平均值。
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