CN105115701B - 精确测量高功率激光环境中光学镜片透过率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学镜片透过率测量装置，包括激光光源、光束扩束装置、45°角分光比50/50的镀膜分光片、补偿片、狭缝、第一功率计和第二功率计。在测量时，首先打开所述激光光源，记录此时第一功率计和第二功率计的读数P₁和P₂，得到功率比值c＝P₁/P₂。然后，将待测镜片放入所述光学镜片透过率测量装置的透射光路中，利用待测镜片校准装置调整待测镜片的位置和角度，读取第一功率计和第二功率计的读数P₁′与P₂′；最后，通过下列公式计算待测镜片的透过率T：T＝P₂′c/P₁′。本发明对光源稳定性要求较低，对待测镜片厚度无要求，可以消除分光片前后表面反射、光学镀膜镜片膜系均匀性等对测试结果的影响。

Description

精确测量高功率激光环境中光学镜片透过率的装置和方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，特别涉及一种精确测量高功率激光环境中光学镜片透过率的方法和装置。

背景技术

光学镜片透过率是对光学镜片的辐射光通量反映和成像质量评价的一个重要参考量，因此对其进行的测量非常重要。

对于光学镜片透过率的测量人们做过大量的研究，也取得了一定的进展。过去多采用传统的单通道测量法，即光束通过被测镜片得到的光通量与光束未通过被测镜片得到的光通量的比值。单通道测试法装置结构简单，便于操作，但其最大缺点在于此法会由于光源本身功率波动造成前后两次测试的辐射光通量抖动，从而引起整个测试的不准确性。

为了弥补单通道测试***的不足，可用双通道测试***进行透过率测试。一种现有的测试方案为分光光度计法，这种方法虽然可以精确的测量镜片透过率，但其镜片透过率都是在低功率情况下测得的，而镜片本身在高能强光照射状态下的特性很可能发生变化，所以低功率状态下的测试无法说明高功率情况。此外，利用分光光度计测量时，多对待测镜片的厚度有要求，且其对镜片上的采光区域较小。

另外一种现有的测试装置如图1所示，它可以利用透射光路和反射光路实现高功率情况下镜片透射率的测试。虽然这种方法摒弃了光源本身稳定性的影响，且可以在高能状态下测量，但如图1可见，分光片有前后两个表面，反射光中既有前表面反射光，又有后表面反射光，由于二者光程不同，所以由衬底吸收等导致的功率变化趋势也不尽相同，若不区分对待，会给测试结果引入误差。另外，待测镜片放置的角度和位置变化时，会间接改变激光入射角度和照射位置，从而其本身透过率会产生微小变化，因此，在对多片待测镜片透过率进行测量时，需要校准各片的位置和角度。

另一方面，透射率的高低不仅受光学镜片本身(内部气泡、污物等)的影响，镀膜镜片上膜系均匀性的影响也十分明显，而目前的透过率检测多针对小口径或用点光源来测量，这就很有可能在不同位置处测得的透过率出现明显差异，因此对于大口径光学镜片不能得到十分准确的透过率，这就需要测量镜片的大口径透射率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在有效地消除光源功率不稳定、分光片前后表面反射、镀膜镜片膜系均匀性等因素对光学镜片透过率测量结果，以及测量结果重复性的影响。

(二)技术方案

本发明提出一种光学镜片透过率测量装置，包括激光光源、光束扩束装置、45°角分光比50/50的镀膜分光片、补偿片、狭缝、第一功率计和第二功率计，其中，所述激光光源用于产生高功率激光；所述光束扩束装置用于将激光光源发射的激光进行整形和扩束；所述45°角分光比50/50的分光片用于接收光束扩束装置输出的测试激光并将其分成透射光和反射光，该分光片具有两个相对的平行反射面，其中的一个反射面上具有镀膜；所述补偿片置于所述分光片的具有镀膜的一侧，用于接收并透射分光片输出的透射光和反射光中的一个，以补偿从镀膜分光片输出的激光的衬底吸收；所述狭缝用于对从所述分光片反射的激光进行约束，以便只允许从所述分光片的具有镀膜的反射面反射的激光通过；所述第一功率计用于探测通过所述狭缝的激光的功率；所述第二功率计用于探测从待测镜片透射的激光的功率。

根据本发明的优选实施方式，光学镜片透过率测量装置还包括镜片校准装置，其用于对待测镜片进行的位置和角度进行校准。

根据本发明的优选实施方式，待测镜片校准装置包括激光标示仪、小孔光阑和反射镜，其中，所述激光标示仪输出用于校准的激光，该激光由待测镜片反射后通过小孔光阑入射到反射镜，所述待测镜片的位置及角度使该反射镜反射的激光继续通过该小孔光阑原路返回，完成待测镜片位置及角度校准。

根据本发明的优选实施方式，光学镜片透过率测量装置还包括密封盒，其用于对所述光学镜片透过率测量装置的光路和元件进行密封。

根据本发明的优选实施方式，光学镜片透过率测量装置所述密封盒中充有保护气体。

本发明还提出一种光学镜片透过率测量方法，使用前述的光学镜片透过率测量装置，并包括如下步骤：

S1、打开所述激光光源，记录此时第一功率计和第二功率计的读数P₁和P₂，得到功率比值c＝P₁/P₂；

S2、将待测镜片放入所述光学镜片透过率测量装置的透射光路中，利用待测镜片校准装置调整待测镜片的位置和角度，读取第一功率计和第二的读数P₁′与P₂′；

S3、通过下列公式计算待测镜片的透过率T：

T＝P₂′c/P₁′。

(三)有益效果

本发明提出的一种精确测量高功率激光环境中光学镜片透过率的方法和装置，对光源稳定性要求相对较低，对待测镜片厚度无要求，可以消除分光片前后表面反射、光学镀膜镜片膜系均匀性等对测试结果的影响，并且通过光束扩束装置可以实现对待测镜片透过率的大口径测试。

附图说明

图1是现有的利用分光片进行光学镜片透射率测试的方案图；

图2是本发明提出的精确测量高功率激光环境中光学镜片透过率的测试装置的第一实施例的结构示意图；

图3是本发明提出的精确测量高功率激光环境中光学镜片透过率的测试装置第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的精确测量高功率激光环境中光学镜片透过率的装置采用双光路等光程测量，包括激光光源、光束扩束装置、45°角分光比50/50的镀膜分光片、补偿片、待测镜片校准装置、狭缝、第一功率计和第二功率计。

激光光源用于产生高功率激光。

光束扩束装置用于将激光光源发射的激光进行整形和扩束。所述的光束扩束装置将光源激光变换扩大，从而可以对待测镜片进行大口径透过率测量。

45°角分光比50/50的分光片用于接收光束扩束装置输出的测试激光并将其分成透射光和反射光。该分光片具有两个相对的平行反射面，其中的一个反射面上具有镀膜。所述的45°角分光比50/50镀膜分光片与激光光轴成45°角放置。

补偿片置于分光片的具有镀膜的一侧，用于接收并透射分光片输出透射光和反射光中的一个，以补偿从镀膜分光片输出的激光的衬底吸收。所述补偿片的材料、厚度与所述45°角分光比50/50镀膜分光片完全相同，且与激光光路也成45°角放置。

狭缝用于对从所述分光片反射的激光进行约束，以便只允许从所述分光片的具有镀膜的反射面反射的激光通过。

第一功率计用于探测通过狭缝的激光的功率。

第二功率计用于探测从待测镜片透射的激光的功率。

镜片校准装置用于对待测镜片进行的位置和角度进行校准，以便保证多次测量时待测镜片放置位置、角度相同，消除待测镜片放置不同引入的测量误差。

待测镜片放置在镀膜分光片的透射光的光路上。

待测镜片校准装置的一种实施方式是包括激光标示仪、小孔光阑和反射镜。激光标示仪输出用于校准的激光，该激光由待测镜片反射后通过小孔光阑入射到反射镜，调整待测镜片位置及角度使反射镜反射的激光继续通过小孔光阑原路返回，完成待测镜片位置及角度校准。

激光光源发出的光经过光束扩束装置后，入射到45°角分光比50/50镀膜分光片上，利用狭缝对反射激光进行约束，只允许分光片镀膜面的反射光通过，并入射到第一功率计。透射过待测镜片的激光输出后最终入射到第二功率计。

优选的，本发明的测量装置还包括密封盒，密封盒用于上述各元件密封。密封盒内可充入N₂等保护气体，以防止大气环境等因素等对测试结果的带来影响。

待测镜片透射率测量步骤为：

S1、打开激光光源，记录此时第一功率计和第二功率计的读数P₁和P₂，得到功率比值c＝P₁/P₂；

S2、将待测镜片放入测量装置的透射光路中，利用待测镜片校准装置调整待测镜片的位置和角度，读取第一功率计和第二的读数P₁’与P₂’；

S3、通过下列公式计算待测镜片的透过率T：

T＝P₂’c/P₁’。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的第一实施例的结构如图2所示。1为激光光源，用于产生高功率激光；2为光束扩束装置，用于将激光光源发射的激光进行整形和扩束，从而可以对待测镜片透射率进行大口径测量；3为45°角分光比50/50的镀膜分光片，用于接收光束扩束装置2输出的测试激光并将其分成透射光和反射光，其镀膜面位于激光输出面上；4为补偿片，用于接收并透射镀膜分光片3透射的激光，用于补偿从镀膜分光片3透射的激光的衬底吸收；5为狭缝，用于对从所述镀膜分光片3反射的激光进行约束，以便只允许从所述镀膜分光片3的镀膜面反射的激光通过；6为第一功率计，用于探测通过所述狭缝5的激光的功率；7为待测镜片，使从所述补偿片4透射的激光透过该待测镜片7；8为激光标示仪，用于输出红光激光，9为小孔光阑，10为反射镜，激光标示仪8、小孔光阑9、反射镜10构成待测镜片校准装置，以便对不同待测镜片进行透过率测量时，校准其位置和角度；11为第二功率计，用于探测从待测镜片透射的激光的功率；12为密封盒，用于将光束护束装置2、镀膜分光片3、补偿片4、狭缝5、第一功率计6、第二功率计11、待测镜片校准装置以及反射镜10进行密封，在密封N₂环境下实现镜片透射率的测量。

激光光源1发出的光经过光束扩束装置2后，入射到45°角分光比50/50镀膜分光片3上，利用狭缝5对反射激光进行约束，只允许分光片镀膜面的反射光通过，并入射到第一功率计6；透过激光经过补偿片4后输出，最终入射到第二功率计11。对第一功率计6和第二功率计11进行控制以使之关联，便可以同时记录某一时刻第一功率计6和第二功率计11的测试数值。整个装置置于密封盒12内进行测试，并充N₂保护，防止大气环境等因素等对测试结果带来影响。

待测镜片校准装置的摆放方法如图2所示，激光标示仪8和小孔光阑9、反射镜10分立透射光路两侧，对称排布；激光标示仪8位于透射光路上方，输出光为肉眼可见的可见激光，其输出光与透射光路呈θ夹角摆放；小孔光阑9和反射镜10位于透射光路下方，两者所在平面各自与透射光路呈(90°-θ)夹角摆放，且通过小孔光阑9中心的、与透射光路呈-θ角度的光线要经过反射镜的中心，且此光线与激光标示仪8输出光线的交点要位于透射光路光轴上，而此交点同时也是待测镜片后表面与光轴的交点。这样，由激光标示仪出射的光，入射到待测镜片后表面，通过微调待测镜片的角度和位置，使得其反射光能够经过小孔光阑9的中心，且入射到反射镜10表面，再经反射镜反射后原路返回，此时，待测镜片角度、位置校准完毕。

如图2所示，所述的反射光路与透射光路在自由空间的光程大致相等。

设分光镜3的厚度为d，折射率为n，则经分光片镀膜表面反射的激光在镜片内部所走的光程为透射光由于补偿片的补偿效果，在镜片内部所走的光程也是这样，反射激光和透射激光在相同材料镜片衬底内走的光程相同，即使在高能照射、时间推移等累计效应影响下，衬底吸收等大致相同，可以最大程度的保证测试结果的准确性。

如图2所示，镀膜分光片3的厚度为5mm，折射率为1.5，经该分光片镀膜表面反射的激光在镜片内部所走的光程为透射光由于补偿片的补偿效果，在镜片内部所走的光程也是这样，反射激光和透射激光在相同材料镜片衬底内走的光程相同，即使在高能照射、时间推移等累计效应影响下，衬底吸收等也会大致相同，可以最大程度的保证测试结果的准确性。

待测镜片透过率测试步骤如下：

S1、打开激光光源1的电源，记录此时第一功率计6和第二功率计11的读数P₁和P₂，得到功率比值c＝P₁/P₂，关闭激光光源1的电源。

S2、将待测镜片7放入透射光路中，并用红光激光标示仪8、小孔光阑9和对红光全反的反射镜10进行待测镜片7位置、角度的校准。再打开激光光源1的电源，读取记录此时第一功率计6和第二功率计11的读数P₁′与P₂′。

S3、计算待测镜片透过率T：

T＝P₂′/(P₁′/c)＝P₂′c/P₁′。

改变激光光源1的功率，重复上述步骤，则可以得到不同功率状态下，待测镜片7的透过率。本发明的第二实施例的结构如图3所示。与第一实施例不同的是，该实施例的镀膜分光片3的镀膜面位于激光输入面上，且补偿片4，用于接收并透射从镀膜分光片3反射的激光，以补偿该反射的激光的衬底吸收与第一实施例类似，镀膜分光片3的厚度为5mm，折射率为1.5，经镀膜分光片3镀膜表面反射的激光在补偿片4内部所走的光程为透射光在分光镜片内部所走的光程也是同样，反射激光和透射激光在相同材料镜片衬底内走的光程相同，即使在高能照射、时间推移等累计效应影响下，衬底吸收等大致相同，可以最大程度的保证测试结果的准确性。待测镜片透过率测试步骤与第一实施例相同，在此不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光学镜片透过率测量装置，包括激光光源、光束扩束装置、45°角分光比50/50的镀膜分光片、补偿片、狭缝、第一功率计和第二功率计，其中，

所述激光光源用于产生高功率激光；

所述光束扩束装置用于将激光光源发射的激光进行整形和扩束；

所述45°角分光比50/50的分光片用于接收光束扩束装置输出的测试激光并将其分成透射光和反射光，该分光片具有两个相对的平行反射面，其中的一个反射面上具有镀膜；

所述补偿片置于所述分光片的具有镀膜的一侧，用于接收并透射分光片输出的透射光和反射光中的一个，以补偿从镀膜分光片输出的激光的衬底吸收；

所述狭缝用于对从所述分光片反射的激光进行约束，以便只允许从所述分光片的具有镀膜的反射面反射的激光通过；

所述第一功率计用于探测通过所述狭缝的激光的功率；

所述第二功率计用于探测从待测镜片透射的激光的功率；

还包括镜片校准装置，其用于对待测镜片进行的位置和角度进行校准；

待测镜片校准装置包括激光标示仪、小孔光阑和反射镜，所述激光标示仪与所述小孔光阑和反射镜分立透射光路两侧，对称排布，所述反射镜反射的激光继续通过所述小孔光阑原路返回，所述待测镜片与透射光路垂直布置，其中，所述激光标示仪输出用于校准的激光，该激光由待测镜片反射后通过小孔光阑入射到反射镜，所述待测镜片的位置及角度使该反射镜反射的激光继续通过该小孔光阑原路返回，完成待测镜片位置及角度校准。

2.如权利要求1所述的光学镜片透过率测量装置，其特征在于，还包括密封盒，其用于对所述光学镜片透过率测量装置的光路和元件进行密封。

3.如权利要求2所述的光学镜片透过率测量装置，其特征在于，所述密封盒中充有保护气体。

4.一种光学镜片透过率测量方法，使用如权利要求1至3中任一项所述的光学镜片透过率测量装置，并包括如下步骤：

S1、打开所述激光光源，记录此时第一功率计和第二功率计的读数P₁和P₂，得到功率比值c＝P₁/P₂；

S2、将待测镜片放入所述光学镜片透过率测量装置的透射光路中，利用待测镜片校准装置调整待测镜片的位置和角度，读取第一功率计和第二的读数P₁’与P₂’；

S3、通过下列公式计算待测镜片的透过率T：

T＝P₂’c/P₁’。