專利名稱：基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法
技術領域：
本發明涉及一種測量光學元件參數的方法，特別地涉及一種改進的高反射率測量方法。
背景技術：
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，接收光腔指數衰減信號，分別確定直腔衰蕩時間T-和折疊腔衰蕩時間T＜，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卷第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減和相位延遲，從而得到光腔衰蕩時間和高反鏡反射率。中國專利申請號200610114363.3的發明專利“一種同時確定高反射腔鏡和測試鏡反射率的方法”在此基礎上改進了數據處理方法，使其能夠同時確定高反射腔鏡和測試鏡反射率。該方法裝置簡單、成本低，但由于鎖相方式探測要求穩定的光腔輸出信號，干涉效應會引起信號振幅的較大波動，所以必須采用離軸入射以避免腔內的干涉效應。離軸入射是指激光束入射方向與衰蕩腔的光軸不共線。當腔鏡反射率提高到一定程度后，光腔輸出信號振幅較小，信噪比下降，使得裝置調節比較困難，而且限制了測量精度。中國專利申請號200610165082.0的發明專利“高反鏡反射率的測量方法”使連續激光沿衰蕩腔光軸入射，利用干涉效應增強光腔衰蕩信號，并當光腔衰蕩信號幅值大于設定的閾值時觸發關閉激光束，探測指數衰減信號并擬合得到腔鏡和測試鏡的反射率。該方法裝置簡單，精度高，但對整個系統的準直要求很高，且必須對腔鏡進行精密調節。本發明在專利“高反鏡反射率的測量方法”(申請號200610165082.0)的基礎上，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，從而在保證高精度、低成本的前提下，大大降低了對整個光學系統的準直要求和調節難度，并提高了高反射率的測量范圍。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種測量精度高、測量范圍大且光學系統調節方便的高反鏡反射率測量方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，包括以下步驟(1)連續激光入射到兩塊相同的平凹高反射腔鏡、凹面鍍高反膜且凹面相對構成的直腔，控制第一塊腔鏡反射回激光器諧振腔的后向反饋光光強，使光腔輸出信號中出現共振尖峰并使其峰值達到最大；(2)當光腔輸出信號中尖峰信號幅值高于設定的閾值時，觸發關閉激光束，由直腔輸出的衰蕩信號擬合得到直腔衰蕩時間并計算得到腔鏡反射率；(3)保持腔長不變，在兩塊相同的平凹高反射腔鏡之間加入高反射測試鏡構成折疊腔，當折疊腔輸出信號中尖峰信號幅值高于設定的閾值時觸發關閉激光束，由折疊腔輸出信號擬合得到折疊腔衰蕩時間，并由折疊腔衰蕩時間和直腔衰蕩時間計算得到測試鏡反射率。
所述后向反饋光的強度通過以下方式控制(1)在激光器和第一塊腔鏡之間垂直于光路插入線偏振片，在垂直于光路的平面內旋轉線偏振片的角度，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(2)在激光器和第一塊腔鏡之間插入光隔離器，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(3)在激光器和第一塊腔鏡之間插入衰減強度漸變的中性密度濾光片或衰減片，并調節衰減強度，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(4)在激光器和第一塊腔鏡之間插入光闌或者可變光闌，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(5)調節第一塊腔鏡的俯仰，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(6)調節半導體激光器與第一塊腔鏡之間沿光路方向的距離，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大。
所述連續激光由連續半導體激光器產生，其光強采用方波調制或者直流輸入。
所述連續激光入射進光腔之前采用空間濾波和望遠系統使激光橫模與衰蕩光腔本征橫模匹配，或者直接入射進光腔。
所述的閾值由控制觸發電路設定，根據光腔輸出信號中共振尖峰的分布特征設定閾值在尖峰最大振幅的50％-99％范圍。
所述的高反膜的反射率大于99％。
本發明與現有技術相比具有如下優點(1)通過以上簡單的方法控制后向反饋光的強度，大幅度提高了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，大大降低了對整個光學系統的準直要求和調節難度。
(2)高反射率測量范圍大。由于提高了激光束耦合進衰蕩光腔的效率，使得測量更高反射率成為可能。
(3)精度高。本發明通過控制后向反饋光的強度提高了光腔耦合效率，使光腔輸出信號振幅增大，信噪比提高，能高精度確定腔鏡和待測鏡的反射率。
圖1為本發明的一種直腔測量裝置實施例的示意圖；圖2為本發明的存在大振幅尖峰的光腔輸出信號；圖3為本發明的觸發電路關閉激光器后記錄的指數衰減信號；圖4為本發明的一種折疊腔的實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的測量裝置由光源1、可變光闌2、空間濾波和望遠系統3、平凹高反鏡4，5、會聚透鏡6、探測器7、觸發開關電路8、示波器或數據采集卡9和計算機10組成。圖中的粗線表示光路，細線表示信號線相連。其中探測器6一般采用光電二極管或光電倍增管探測器。
光源1采用連續半導體激光器。可變光闌2用來控制后向反饋光的強度，也可采用線偏振片、衰減片或者光隔離器，或者調節第一塊腔鏡的俯仰，或者調節半導體激光器與第一塊腔鏡之間沿光路方向的距離，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大。空間濾波和望遠系統3由兩塊透鏡和一針孔組成，用于將光源1輸出的激光束整形成基模并與光腔模式匹配。測量系統中也可以去除空間濾波和望遠系統3，不經過模式匹配直接將激光入射進光腔。首先，由平凹高反鏡4，5構成直腔進行測量。通過控制后向反饋光的強度，使光腔輸出信號出現很多振幅非常大的尖峰，如圖2所示。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。連續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，并同時輸出到觸發開關電路8和示波器或數據采集卡9。然后，用觸發開關電路8設定一個小于共振尖峰最大值的閾值，根據光腔輸出信號中共振尖峰的分布特征設定閾值在尖峰最大振幅的50％-99％范圍，并比較設定的閾值和探測器7輸出信號振幅的大小。當尖峰信號振幅高于閾值時，觸發開關電路8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。觸發開關電路8同時觸發示波器或數據采集卡9記錄關閉激光器后的指數衰減信號，如圖3所示，并送入計算機10，由單指數衰減函數y＝A*exp(-t/τ1)+B擬合得到直腔衰蕩時間τ1，再由R＝exp(-L/cτ1)或R＝1-L/cτ1計算得到腔鏡反射率R，c為光速，L為腔長。然后，保持腔長不變，加入高反射測試鏡11后構成折疊腔，如圖4所示，可測量任意反射率大于99％的平面高反鏡的反射率。類似于直腔測量過程，在折疊腔情況時設定閾值為尖峰信號最大振幅的50％-99％范圍，當探測器7輸出的信號中尖峰信號振幅大于閾值時，觸發關閉光源1并觸發示波器或數據采集卡9記錄折疊腔指數衰減信號，由計算機10按單指數衰減函數y＝A*exp(-t/τ2)+B擬合得到直腔衰蕩時間τ2，再由Rx＝exp(L/cτ1-L/cτ2)計算得到測試鏡反射率Rx。
權利要求
1.基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，其特征在于通過以下步驟實現(1)連續激光入射到兩塊相同的平凹高反射腔鏡、凹面鍍高反膜且凹面相對構成的直腔，控制第一塊腔鏡反射回激光器諧振腔的后向反饋光光強，使光腔輸出信號中出現共振尖峰并使其峰值達到最大；(2)當光腔輸出信號中尖峰信號幅值高于設定的閾值時，觸發關閉激光束，由直腔輸出的衰蕩信號擬合得到直腔衰蕩時間并計算得到腔鏡反射率；(3)保持腔長不變，在兩塊相同的平凹高反射腔鏡之間加入高反射測試鏡構成的折疊腔，當折疊腔輸出信號中尖峰信號幅值高于設定的閾值時觸發關閉激光束，由折疊腔輸出信號擬合得到折疊腔衰蕩時間，并由折疊腔衰蕩時間和直腔衰蕩時間計算得到測試鏡反射率。
2.根據權利要求1所述的基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，其特征在于所述后向反饋光的強度通過以下方式控制(1)在激光器和第一塊腔鏡之間垂直于光路插入線偏振片，在垂直于光路的平面內旋轉線偏振片的角度，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(2)在激光器和第一塊腔鏡之間插入光隔離器，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(3)在激光器和第一塊腔鏡之間插入衰減強度漸變的中性密度濾光片或衰減片，并調節衰減強度，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(4)在激光器和第一塊腔鏡之間插入光闌或者可變光闌，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(5)調節第一塊腔鏡的俯仰，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大；(6)調節半導體激光器與第一塊腔鏡之間沿光路方向的距離，使光腔輸出信號中尖峰信號幅值達到最大。
3.根據權利要求1所述的基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，其特征在于所述連續激光由連續半導體激光器產生，其光強采用方波調制或者直流輸入。
4.根據權利要求1所述的基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，其特征在于所述連續激光入射進光腔之前采用空間濾波和望遠系統使激光橫模與衰蕩光腔本征橫模匹配，或者直接入射進光腔。
5.根據權利要求1所述的基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，其特征在于所述的閾值由控制觸發電路設定，根據光腔輸出信號中共振尖峰的分布特征設定閾值在尖峰最大振幅的50％-99％范圍。
6.根據權利要求1所述的基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，其特征在于所述的高反膜的反射率大于99％。
全文摘要
本發明公開了基于半導體激光器自混合效應的高反射率測量方法，屬于對光學元件參數進行測量的技術領域。在測量衰蕩時間確定高反射率的現有光腔衰蕩技術中，利用半導體激光器的自混合效應，通過控制連續波半導體激光器的后向反饋光強度來提高激光功率到衰蕩光腔的耦合效率，使光腔輸出信號信噪比大大提高，從而提高了高反射率的測量精度和測量范圍。控制后向反饋光強度使光腔輸出信號幅值達到最大的方式包括在半導體激光器和第一塊腔鏡之間插入線偏振片、衰減片、光隔離器、或可變光闌，或者調節第一塊腔鏡的俯仰，或者改變激光器和第一塊腔鏡的距離。
文檔編號G01N21/55GK101055224SQ20071009875
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月26日 優先權日2007年4月26日
發明者龔元, 李斌成 申請人:中國科學院光電技術研究所