专利名称：一种光学元件透射损耗测量方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量光学元件透射损耗的方法，特别涉及一种小口径光学元 件透射损耗测量的方法。
背景技术：
随着镀膜技术的不断发展，增透膜的透射率不断提高。在复杂的光学系统中，经常 要使用数十甚至上百个镀有增透膜的高透射率光学元件，光学元件所镀增透膜的质量对整 个系统性能起至关重要的作用，因此对高透过率光学元件表面增透膜的剩余反射率及透射 光学元件的吸收损耗的测试是十分重要的。近年来微小型光学系统也在不断发展，光学元 件的小型化程度逐渐提高，小尺寸光学元件的使用逐渐增多，对光学元件测试装置提出了 新的要求。传统的分光光度法、消光系数法等测试方法无法满足测量低吸收损耗的要求。而 光热偏转光谱技术(杨富等，“ 10. 6 μ m激光辐照小光学薄膜的弱吸收测量”，强激光与离子 束，第16卷，277 (2004))以及在此基础上改进的表面热透镜技术(胡海洋等，“表面热透镜 技术探测光学薄膜的微弱吸收”，光学学报，第21卷，150(2001))也是测量光学元件吸收损 耗的有效方法。光热偏转技术是基于物质吸收光能而产生的热效应的测量技术，激光束聚 焦到待测样品表面，样品表面因受热发生形变使反射的探测光发生偏转，通过测量探测光 的偏转量即可获得样品的吸收值。由于探测光束直径小，光路调节困难，而信号重复性对 光路调节非常敏感，在实际测量中易出现较大的偏差，导致测量重复性差、测量误差大。表 面热透镜技术是在光热偏转技术的基础上使探测光束直径大于激励光束直径，样品表面形 变使反射的探测光的波前发生畸变，畸变的反射光的强度分布由CCD或针孔探测器扫描获 得。光热偏转技术和热透镜技术都需要通过其他方法对其他吸收大的样品进行定标，从而 增加了测量的复杂性和难度，而且直接或间接地引入了误差。另外，在这两种技术中，测量 的信号都依赖于光学元件因热膨胀产生的表面形变或光学元件内部的折射率温度梯度，这 对于测量低热膨胀系数基板材料或低折射率温度系数基板材料的光学元件是一种限制。目前，激光量热法是测量光学元件吸收损耗的国际标准(ISO 11551 2003(E) "Testmethod for absorbance of optical laser components，，)，其最大的优点 是能直接测量吸收损耗的绝对值，不需要定标。但测量灵敏度与装置设计和制备中的诸多 因素有关，并且对待测光学元件尺寸有一定的要求。中国专利申请号200410084794. 0的发明专利“一种用于光学材料微弱吸收测量 的设备及方法”中提出了一种基于F-P干涉原理的光学材料微弱吸收测量方法，通过测量谐 振腔内有无吸收材料时谐振腔的透过率变化来得到样品的吸收系数，该方法对光源输出功 率的稳定性要求很高，对F-P腔长的控制也需要十分精确。上述各种方法都对被测光学元件有一定的尺寸要求，很难实现对口径很小和厚度 比较厚的光学元件的测量，因此发展一种可实现小口径光学元件透射损耗测量方法是十分 重要的。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有光学元件透射损耗测量技术的不足，提出 了一种基于光腔衰荡技术的光学元件透射损耗测量方法，可同时得到待测光学元件的吸收 损耗系数和表面增透膜剩余反射率，可测量口径很小的光学元件，且具有测量灵敏度高，结 构简单，成本低廉等优点。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是光学元件透射损耗测量方法。连 续激光束入射到由高反射镜组成的稳定光学谐振腔，将两可变光阑相隔一定间距置于光学 谐振腔中间位置附近且垂直于光轴，其通光孔径小于待测光学元件口径，两可变光阑间距 离略大于待测光学元件厚度，激光束沿光轴进入谐振腔，随着激光的注入，腔内能量逐渐积 累，当入射激光被快速关断后，光学谐振腔内光能量会由于损耗而逐渐减小，腔镜透射光功 率随时间以单指数形式衰减，记录光学谐振腔衰荡信号拟合出衰荡时间^ ；若待测光学 元件横向尺寸远大于光学谐振腔内激光束的尺寸，光学谐振腔内不需要放入可变光阑或者 将可变光阑通光孔径调成与待测光学元件相近或相等，光学谐振腔内高斯光束的束腰尺寸
权利要求
一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于实现步骤如下(1)连续激光经模式匹配透镜组整形后沿光轴从镜面中心进入高反射镜组成的光学谐振腔；将两可变光阑相隔一定间距置于所述光学谐振腔中间位置附近且垂直于光轴，两可变光阑通光孔径小于待测光学元件口径，两可变光阑间距离大于待测光学元件厚度；所述光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，触发关断入射激光束，记录光学谐振腔输出信号，按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ0；(2)将待测光学元件置于所述光学谐振腔内预先放置的两可变光阑之间，待测光学元件表面垂直于光轴，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，触发关断入射激光束，记录光学谐振腔输出信号，按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ1；(3)调节待测光学元件角度使待测光学元件表面相对于光轴稍倾斜，使待测光学元件表面直接反射光逸出光学谐振腔，记录光学谐振腔输出信号，按单指数衰减函数拟合出衰荡时间τ2；(4)通过τ0和τ1计算得到待测光学元件的吸收损耗A；通过τ1和τ2计算得到待测光学元件表面增透膜剩余反射率R，公式如下待测光学元件吸收损耗待测光学元件表面增透膜剩余反射率其中L为光学谐振腔长，c为光速。FSA00000288314700011.tif,FSA00000288314700012.tif
2.根据权利要求1所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述的连续 激光由半导体激光器、固体激光器或气体激光器产生。
3.根据权利要求1所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述光学谐 振腔为如下结构之一A.所述光学谐振腔为稳定直型光学谐振腔，所述稳定直型光学谐振腔由两块相同的平 凹高反射镜凹面相对垂直于光轴放置组成，入射光从一平凹高反射镜中心沿光轴进入；B.所述光学谐振腔为稳定折叠光学谐振腔，所述稳定折叠光学谐振腔由两块相同的平 凹高反射镜和一块平面高反射镜构成，平面高反射镜为入射腔镜且倾斜于光轴放置，入射 激光束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，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高反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述的高反 射腔镜反射率大于99%。
5.根据权利要求3所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述光学谐 振腔为稳定腔或共焦腔，所述光学谐振腔腔长L满足0 < L < 2r，其中r为平凹高反射镜凹 面的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述两可变 光阑通光孔径相等。
7.根据权利要求1所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于当所述的待测光学元件的横向尺寸远大于光学谐振腔内激光束的光束尺寸时，可以移走光学谐振腔内 的两可变光阑或者将光阑通光孔径调到与待测光学元件尺寸近或相等。
8.根据权利要求1所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述触发关 断入射激光束通过以下方式之一实现a.当连续激光为连续半导体激光器时，如果光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值 时，则快速关闭半导体激光器激励电流或电压。b.当连续激光为连续半导体激光器或固体激光器或气体激光器时，在激光器和入射腔 镜之间使用快速光开关，如果光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，则触发快速光开 关关闭激光束。c.当连续激光为采用方波调制激光器激励电源，或方波调制快速光开关时，如果光学 谐振腔输出信号在方波下降沿的幅值高于设定阈值时，则利用方波下降沿关闭激光束。
9.根据权利要求1所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述待测光 学元件测试表面可以镀增透膜，使待测光学元件的总吸收损耗和表面增透膜剩余反射率均 低于1. 0%。
10.根据权利要求8所述的一种光学元件透射损耗测量方法，其特征在于所述快速光 开关是电光或声光调制开关。
全文摘要
一种光学元件透射损耗测量方法，连续激光经模式匹配透镜组整形后沿光轴进入光学谐振腔，将相隔距离略大于待测光学元件厚度的两可变光阑置于光学谐振腔内，其通光孔径小于待测光学元件口径。触发关断激光束后记录光学谐振腔输出信号拟合出衰荡时间τ0；然后将待测光学元件置于光学谐振腔内两可变光阑之间，调节待测光学元件使其表面垂直于光轴，记录光学谐振腔输出信号拟合出衰荡时间τ1；再调节待测光学元件角度使其表面直接反射光逸出光学谐振腔，记录光学谐振腔输出信号拟合出衰荡时间τ2。通过τ0和τ1可得待测光学元件的吸收损耗A；通过τ1和τ2可得待测光学元件的表面增透膜剩余反射率R。本发明具有结构简单，测量精度高，系统成本低等优点。
文档编号G01M11/02GK101995328SQ20101029572
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者曲哲超, 李斌成, 韩艳玲 申请人:中国科学院光电技术研究所