專利名稱：用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法
技術領域：
本發明涉及一種測量光學元件參數的方法，特別地涉及一種用于高反射率測量的開關 激光束的時序優化方法。
技術背景高反射率光學元件在激光系統中的廣泛使用迫切要求精確測量高反射率，而傳統方法 已無法滿足高反射率的測量精度要求。中國專利申請號98114152.8，公開號CN1242516A，
公開日期2000年1月26日的發明專利公開了"一種反射鏡高反射率的測量方法"，采用脈 沖激光系統作光源，入射到兩塊高反鏡組成的光學諧振腔，接收光腔指數衰蕩信號，分別 確定直腔衰蕩時間r—和折疊腔衰蕩時間k,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量差、衰蕩腔內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造價高，不利于推廣使用。中國專利申請號200610011254.9，公 開號CN1804572A，
公開日期2006年7月19日的發明專利申請提供了"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—1250 頁，公開了一種"連續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 續半導體激光器作光源的高反射率測量方法，用方波調制連續激光，采用鎖相方式探測輸 出信號的振幅衰蕩和相位延遲，從而得到光腔衰蕩時間和高反鏡反射率。該方法中激光功 率到衰蕩腔的耦合效率不高。中國專利申請號200610165082.0，公開號CN1963435A,公 開日期2007年5月16日的發明專利公開的"高反鏡反射率測量方法"和中國專利申請號 200710098755.X的發明專利申請"基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法"通 過簡單的機械裝置或光學元器件來控制從第一塊腔鏡反射回激光器的后向反饋光光強，使 半導體激光器輸出光譜特性發生改變，大幅度提高激光束耦合進衰蕩光腔的效率，使光腔 輸出信號中出現幅值很大的尖峰信號。此尖峰信號用來得到指數衰蕩信號，并擬合得到腔 鏡和測試鏡的反射率。該方法能高精度測量高反射率，且成本低、裝置簡單。然而，雖然 尖峰在一個周期內出現的位置相對穩定，但出現的具體位置有一定的隨機特性，而且振幅 波動較大，使衰蕩信號的信噪比和高反射率測量精度降低。 發明內容本發明要解決的技術問題克服現有技術的不足，提供一種用于高反射率測量的開關
激光束的時序優化方法，該方法用來確定最大尖峰出現頻率最高的時刻，在該時刻關斷激 光束并記錄指數衰減信號，從而提高衰蕩信號的信噪比，并進一步提高高反射率測量精度。 本發明的技術解決問題用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在 于由以下方案之一實現(1) 用函數發生器或函數發生卡輸出的方波調制半導體激光器激勵電流或電壓，方 波上升沿和下降沿分別對應開啟或關斷半導體激光器。確定光腔輸出信號最大振幅出現的時刻與方波上升沿之間的時間間隔^，在此基礎上，優化方波調制頻率/和/或占空比尸使光腔輸出信號最大振幅處于方波下降沿，從而關斷激光束，同時觸發采集指數衰減信號， 經過時間A^后，由下一個周期的方波上升沿重新開啟激光束，重復上述過程實現衰蕩信號和高反射率的重復測量。(2) 由閾值觸發電路輸出的方波調制激光束，方波的上升沿和下降沿分別對應開啟 或關斷激光束。當光腔輸出信號振幅大于預先設定的閾值時，閾值觸發電路快速關斷其輸 出電流形成下降沿關斷激光束，同時觸發采集指數衰減信號，經過時間A^后，由下一個周 期的方波上升沿重新開啟激光束，重復上述過程實現衰蕩信號和高反射率的重復測量；所述方案(1)和方案(2)通過以下途徑之一開關激光束(1) 用方波調制半導體激光器的激勵電流或電壓實現開啟或關斷激光束；(2) 激光器本身不調制，激光束連續輸出，在激光器與衰蕩腔之間插入電光或聲光開 關，用方波調制光開關的激勵電流或電壓實現開啟或關斷激光束。所述方案(1)和方案(2)中優化前方波調制頻率/的初始值范圍為1Hz 1MHz。 所述方案(1)和方案(2)中優化前占空比尸的初始值范圍為10000:1-1:100。 所述方案(1)中的&為多個AA的統計平均值，Af,表示一個周期內最大振幅出現的時刻與本周期方波上升沿之間的時間間隔。所述方案(1)通過控制調制頻率/和/或占空比P來實現開關激光束的時序優化，有 以下三種形式實現調制頻率和占空比的優化(1) 調制頻率/保持不變，占空比P變為P-K^/A^，其中Af2^r-&， r = i//;(2) 調制頻率/變為/ =戶/[(1 +尸)^]，占空比戶保持不變，其中占空比初始取值滿足^7100007<尸<巧/57 ;(3) 調制頻率/變為/ = 1/(巧+厶^2)，占空比尸變為尸-^/A^，其中A^為衰蕩時間r 的整數倍，即厶 2=妗，J"由未進行時序優化的衰蕩信號大致確定，t值視具體情況而定，
范圍為5<&<10000。所述方案(2)中的閾值由閾值觸發電路設定，在5mV 5V之間可調，初始值為光腔 輸出信號最大峰值，若設置的閾值在一定時間內不能觸發關斷激光束則閾值自動小幅下調 直到能觸發為止。所述方案(2)中的方波由閾值觸發電路本身生成、或由函數發生器或函數發生卡生成 后輸入至閾值觸發電路并由閾值觸發電路轉換后輸出。 所述方案(2)中的A^由以下兩種方式確定(1) 方波調制頻率保持不變，每個周期的A^由觸發時刻到下一個方波周期的上升沿 之間的時間間隔確定，&3因觸發關斷激光束時刻/^的改變而被動改變，即&3-1//-^ 。(2) A^保持不變，取值為衰蕩時間r的整數倍，即A^-yh"， r由未進行時序優化的 衰蕩信號大致確定，A值視具體情況而定，范圍為5<&<10000。此時方波調制頻率因觸發 關斷激光束時刻A^的改變而被動改變，即/ = l/(^3+A"。本發明與現有技術相比具有如下優點-.(1) 在光腔輸出信號最大尖峰出現頻率最高的時刻關斷激光束并記錄指數衰減信號， 提高了衰蕩信號信噪比，有利于進一步提高高反射率測量精度。(2) 方式(1)不需觸發電路，裝置比方式(2)更簡單，可有效降低系統成本。
圖1為本發明基于函數發生卡的直腔高反射率測量裝置實施例的示意圖； 圖2為本發明的未經時序優化的輸入方波(a)和光腔輸出信號(b)以及按方案(1) 進行時序優化后的輸入方波(c)和光腔輸出信號(d); 圖3為本發明的折疊腔構型示意圖；圖4為本發明的時序優化后探測的光腔衰蕩信號及擬合曲線；圖5為本發明基于閾值觸發電路的直腔高反射率測量裝置示意圖；圖6為本發明的未經時序優化的輸入方波(a)以及按方案(2)進行時序優化后的輸入方波(b)和光腔輸出信號(c);具體實施方式
實施例1:實施例1詳細說明了本發明的開啟和關斷激光束的時序優化方案(1)。圖1為本發明 基于函數發生卡的直腔高反射率測量裝置示意圖。如圖1所示，測量裝置由函數發生卡l、 光源2、空間濾波和望遠系統3、平凹高反鏡4， 5、透鏡6、探測器7、數據采集卡8和計
算機9組成。圖中的粗線表示光路，細線表示信號線相連。函數發生卡1輸出兩路方波信號， 一路方波信號用于調制連續半導體激光器2的激勵 電流或電壓，使激光輸出功率方波調制，方波上升沿和下降沿分別對應開啟和關閉激光束。 另一路方波信號用于觸發數據采集卡8在方波下降沿關斷激光束后記錄指數衰減信號。空 間濾波和望遠系統3由兩塊透鏡和一個針孔組成，用于將光源2輸出的激光束整形成基模 并與光腔模式匹配，也可不采用空間濾波和望遠系統3，即不經模式匹配直接將激光束耦 合進光腔。兩塊相同的平凹高反鏡4、 5，其凹面鍍高反膜，反射率大于99%，凹面相對構 成直腔。激光束在腔內多次反射后輸出，經透鏡6會聚后由探測器7接收。探測器7將光 信號轉換成電信號。與方波下降沿關斷激光束同時，觸發信號觸發數據釆集卡8記錄指數 衰減信號，并由計算機9進行數據處理及存儲。關斷激光束間隔時間A^后重新開啟激光輸出。重復上述步驟以實現衰蕩信號和高反射率的多次重復測量。函數發生卡l和數據采集 卡8通過PCI總線直接由計算機9控制。如圖2(a)所示，時序優化前，函數發生卡1輸出調制頻率為/"kHz，占空比為1:1的方波信號，周期為1/Z^lms。對應的光腔輸出信號如圖2 (b)所示。時序優化前的調制頻率取值范圍為1Hz 1MHz，占空比戶的取值范圍為10000:1 1:100，兩者同時取值使方波 低電平持續時間大于5倍衰蕩時間。雖然方波下降沿關閉激光器后可以記錄到衰蕩信號， 但由于未經時序優化，下降沿的衰蕩信號振幅一般較小，信噪比低，不利于高精度測量高 反射率。光腔衰蕩信號中最大振幅在每個周期內出現的位置相對穩定，但也有一定的隨機特性。 用Af,表示一個周期內最大振幅出現的時刻與本周期方波上升沿之間的時間間隔，每個周期的A^略有不同。圖2 (b)標出了其中一個周期最大振幅出現的位置Af,。 X^表示多個Af,的統計平均值，也是最大振幅出現頻率最高的位置，用來優化調制頻率和占空比。本發明的開啟和關斷激光束的時序優化方式(I)通過控制調制頻率/和占空比尸來實現開關激光束的時序優化，有以下三種形式實現調制頻率和占空比的優化-(1) 調制頻率/保持不變，占空比p變為p-X^/z^，其中z^-r-g, r = i//;(2) 調制頻率/變為/ =尸/[(1 + "&]，占空比尸保持不變，其中占空比初始取值滿足OOO(k <戶 < 巧/52";(3) 調制頻率/變為/"/(X^ + A"，占空比P變為/^巧/A^，其中&2為衰蕩時間7
的整數倍，即delta t2=kr， r由未進行時序優化的衰蕩信號大致確定，Jt值視具體情況而定， 范圍為5<k<10000。實施例l采用上述第二種調制頻率和占空比的優化方法，占空比為l:l，即&2=&，如圖2 (c) (d)所示。先探測多個周期的^，并求其統計平均值5,控制函數發生卡輸出方波的調制頻率使其變為/ = 1/2&。在此調制頻率時，方波下降沿觸發數據采集卡記錄 的衰蕩信號平均振幅最大。由數據采集卡8記錄的衰蕩信號輸入計算機9，擬合得到直腔 衰蕩時間T!，如圖3所示。由及=1-ZAr,計算得到腔鏡反射率。插入待測平面鏡IO，形成折疊腔，如圖4所示。重復上述過程，擬合得到折疊腔衰蕩時間T2,由& =exp(Z/Cr, -Z/cr2)計算得到待測平面鏡反射率。 實施例2:實施例2詳細說明了本發明的開啟和關斷激光束的時序優化方案(2)。圖5為本發明 基于閾值觸發電路的直腔高反射率測量裝置示意圖。如圖5所示，測量裝置由光源2、空 間濾波和望遠系統3、平凹高反鏡4， 5、透鏡6、探測器7、數據采集卡8、計算機9和閾 值觸發電路ll組成。圖中的粗線表示光路，細線表示信號線相連。實施例2測量裝置與中國專利申請號200610165082.0，公開號CN1963435A，
公開日
期2007年5月16日的發明專利公開的"高反鏡反射率測量方法"的實施例測量裝置相同， 但本發明的實施例2重點在于說明基于閨值觸發電路的開關激光束的時序優化方法。光源 2采用連續半導體激光器。空間濾波和望遠系統3由兩塊透鏡和一個針孔組成，用于將光 源2輸出的激光束整形成基模并與光腔模式匹配，也可不采用空間濾波和望遠系統3,即 不經模式匹配直接將激光束耦合進光腔。兩塊相同的平凹高反鏡4、 5,其凹面鍍高反膜， 反射率大于99%，凹面相對構成直腔諧振腔。激光束在諧振腔內多次反射后輸出，經透鏡 6會聚后由探測器7接收。探測器7將光信號轉換成電信號，并同時輸出到數據采集卡8 和閾值觸發電路11。閾值觸發電路11用來比較設定的閾值和光腔輸出信號振幅的大小。 當光腔輸出信號振幅大于設定的閾值時，閾值觸發電路11關斷激光束并同時觸發數據采集 卡8記錄關斷激光束后的指數衰減信號。數據采集卡8記錄指數衰減信號并送入計算機9進行處理。關斷激光束間隔時間A^后重新開啟激光輸出。重復上述步驟以實現衰蕩信號和高反射率的多次重復測量。本實施例2中，閾值觸發電路11通過改變半導體激光器的激勵電流或電壓快速關閉激 光輸出，從而得到指數衰減信號。也可在激光器與衰蕩腔之間插入電光或聲光開關，由閾
值觸發電路控制光開關激勵電流或電壓來開啟或關斷激光束。
本實施例2中，時序優化前的方波直接由閾值觸發電路生成，用于調制半導體激光器 的激勵電流，當光腔輸出信號振幅大于閾值時關斷半導體激光器的激勵電流。方波也可由 函數發生器(或函數發生卡)生成后輸入閾值觸發電路，再由閾值觸發電路輸出作為半導 體激光器的激勵電流調制信號。方波調制頻率取值范圍為1Hz 1MHz，占空比P的取值范 圍為10000:1~1:100,兩者同時取值使方波低電平持續時間大于5倍衰蕩時間。
如圖6(a)所示，時序優化前，閾值觸發電路輸出調制頻率為f = 1kHz，占空比為l:l的方波信號，周期為1/f = 1ms。閾值觸發電路設置閩值為153mV。當光腔輸出信號距上升沿約0.29ms時振幅超過闞值，閾值觸發電路快速關斷半導體激光器激勵電流，形成方波下 降沿，如圖6 (b)所示。下降沿關斷激光束后得到光腔指數衰減信號，如圖6 (c)所示。 圖6(c)中虛線表示設置的閾值。與下降沿關斷激光束同時，閾值觸發電路觸發數據采集 卡記錄指數衰減信號，并送入計算機進行擬合得到衰蕩時間和反射率結果。衰減信號的處 理以及腔鏡、待測平面鏡反射率計算過程與實施例l相同。當經歷一段時間t3后，下一個方波周期的上升沿開啟激光束，重復上述步驟以實現衰蕩信號和高反射率的多次重復測量。 本實施例2中方波調制頻率保持不變，f = lkHz。由于每個周期尖峰出現的具體位置有一定的隨機特性，因此每個周期的觸發時刻t3有所不同。t3由觸發時刻到下一個方波 周期的上升沿之間的時間間隔確定，因此t3隨觸發關斷激光束時刻",的改變而被動改變， 即&3=1//-M。也可采用以下方式A^保持不變，取值為衰蕩時間r的整數倍，即"3=&， r由未進行時序優化的衰蕩信號大致確定，A值視具體情況而定，范圍為5<k<10000。此 時方波調制頻率因觸發關斷激光束時刻A^的改變而被動改變，即<formula>formula see original document page 9</formula>
權利要求
1、用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在于采用函數發生器或函數發生卡輸出的方波調制半導體激光器激勵電流或電壓，方波上升沿和下降沿分別對應開啟或關斷半導體激光器，確定光腔輸出信號最大振幅出現的時刻與方波上升沿之間的時間間隔，在此基礎上，優化方波調制頻率f和占空比P、或優化方波調制頻率f或占空比P使光腔輸出信號最大振幅處于方波下降沿，從而關斷激光束，同時觸發采集指數衰減信號，經過時間Δt2后，由下一個周期的方波上升沿重新開啟激光束，重復上述過程實現衰蕩信號和高反射率的重復測量。
2、 根據權利要求l所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在 于所述通過以下途徑之一開關激光束(1) 用方波調制半導體激光器的激勵電流或電壓實現開啟或關斷激光束；(2) 半導體激光器本身不調制，激光束連續輸出，在半導體激光器與衰蕩腔之間插入 電光或聲光開關，用方波調制光開關的激勵電流或電壓實現開啟或關斷激光束。
3、 根據權利要求l所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在 于所述的優化前方波調制頻率/的初始值范圍為1Hz 1MHz，所述的優化前占空比f的 初始值范圍為10000:1-1:100。
4、 根據權利要求l所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在 于所述的光腔輸出信號最大振幅出現的時刻與方波上升沿之間的時間間隔乂為多個/^的 統計平均值，厶^表示一個周期內最大振幅出現的時刻與本周期方波上升沿之間的時間間隔。
5、 根據權利要求1所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在于所述的優化方波調制頻率/和占空比P、或優化方波調制頻率/或占空比P有以下三種 形式之一實現(1) 調制頻率/保持不變'占空比戶變為P-^/^2,其中Af2-!T-g, r = i//;(2) 調制頻率/變為/ =尸/[(1 +尸)&]，占空比尸保持不變，其中古空比初始取值滿足K^/l000(h" < P < Z^"/5t ;(3) 調制頻率/變為/ = 1/(^ +厶/2)，占空比P變為戶-K^//^，其中AG為衰蕩時間r 的整數倍，即A^-;h"， f由未進行時序優化的衰蕩信號大致確定，A:值視具體情況而定， 范圍為5<4<10000。
6、 用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在于由閾值觸發電路輸 出的方波調制激光束，方波的上升沿和下降沿分別對應開啟或關斷激光束，當光腔輸出信 號振幅大于預先設定的閾值時，閾值觸發電路快速關斷其輸出電流形成下降沿關斷激光束， 同時觸發采集指數衰減信號，經過時間A^后，由下一個周期的方波上升沿重新開啟激光束，重復上述過程實現衰蕩信號和高反射率的重復測量；
7、 根據權利要求l所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在 于所述通過以下途徑之一開關激光束(1) 用方波調制半導體激光器的激勵電流或電壓實現開啟或關斷激光束；(2) 半導體激光器本身不調制，激光束連續輸出，在半導體激光器與衰蕩腔之間插入 電光或聲光開關，用方波調制光開關的激勵電流或電壓實現開啟或關斷激光束。
8、 根據權利要求l所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在 于所述的優化前方波調制頻率/的初始值范圍為1Hz 1MHz，所述的優化前占空比尸的 初始值范圍為10000:1 1:100。
9、 根據權利要求l所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在 于所述的閾值由閾值觸發電路設定，在5mV 5V之間可調，初始值為光腔輸出信號最大 峰值，若設置的閾值在一定時間內不能觸發關斷激光束則閾值自動小幅下調直到能觸發為 止。
10、 根據權利要求1所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征 在于所述的方波由閾值觸發電路本身生成、或由函數發生器或函數發生卡生成后輸入至閾值觸發電路并由閾值觸發電路轉換后輸出。
11、 根據權利要求1所述的用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，其特征在于所述的"3由以下兩種方式確定(1) 方波調制頻率保持不變，每個周期的A^由觸發時刻到下一個方波周期的上升沿 之間的時間間隔確定，A^因觸發關斷激光束時刻A/i的改變而被動改變，即^3=1//-八^。(2) A^保持不變，取值為衰蕩時間f的整數倍，即A^-Ar， r由未進行時序優化的 衰蕩信號大致確定，A值視具體情況而定，范圍為5<1<40000，此時方波調制頻率因觸發 關斷激光束時刻A"的改變而被動改變，即/ = 1/(么^+八"。
全文摘要
本發明公開了用于高反射率測量的開關激光束的時序優化方法，屬于對光學元件參數進行測量的技術領域。由兩種方式實現激光束開關時刻的優化優化方波調制頻率和占空比，使方波下降沿的光腔輸出信號平均振幅最大；當光腔輸出信號振幅大于設定的閾值時由閾值觸發電路關斷激光束，下一個方波周期的上升沿重新開啟激光束。本發明通過優化激光束的開關時刻提高衰蕩信號的信噪比，從而提高高反射率測量精度。
文檔編號G02F1/35GK101126676SQ200710122408
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月25日 優先權日2007年9月25日
發明者李斌成, 韓艷玲, 元 龔 申請人:中國科學院光電技術研究所