（光学工程专业论文）极高反射率测量仪工程化研究探讨.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外、论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：拯盘丛挝奎逊量丛三蕉j 墨堡窥拯遮 学位论文作者签名：主煎：呈尘 日期： ，。一年，。月歹日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行捡索 可以呆用影印、缩印或扫描等复粕手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：拯直区盟窒型量丛墨焦焦监窥拯过 学位论文作者签名：；主当 釜 一 日期：一+ 年，月一。日 作者指导教师签名高1 ( 1 丸 日期：2 do 、f 年d 月3j 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文的目的是要实现激光镜片的极高反射率测量。论文中通过测量含有待测膜片的无 源谐振腔的损耗来得到待测膜片的损耗( 包括透射、吸收和散射j 。 第一章简单回顾了高反射率光学镜片测量技术的发展历程，简述了本课题的由来。花 极高反射率镜片快速发展的今天，传统的测量方法已经不能满足测量需要。论文中通过测 量含有待测镜片的无源谐振腔的光强衰减时间来得刽谐振腔的总损耗，进而得到待测镜片 的损耗及反射率。这是一种非常规的测量方法它的突出优点是谐振腔的损耗越低，测量 精度也应该越高。 第二章介绍了时间衰减法测量无源谐振腔总损耗的原理。 第三章详细说明了实验装置，实验所用电路的设计原理。 第四章主要是排除机械震动t 扰和电干扰。采取了若十措施，尽量排除机械震动干扰 和电干扰对实验的不良影响。主要干扰为扫描p z r 直流电源的波纹系数、减震光学平台的 共振箱作用咀及气流的影响。尤以共振箱影响最大。 第五章在建立起r 连续光波时间衰减法测量装置的基础上，进行了无源谐振腔总损耗 的洲量，仔细分析了实验过程中的误差闻素，并指出在目前的实验条件下限制测量精度科 重复性的主要原因是激光镜片的均匀性和稳定陛不理想。在镜片损耗比较稳定的情况r ， 最终得到谐振腔的总损耗重复测量结果为7 7 37 8 io4 7 m ，：该实验装置i ：高损耗腔也微+ 测量，结果为1 7 1 53 4 o6 1 岸聊，2 0 9 24 6 14 2 口p 卅。 实验意外地发现时间衰减法偏离指数函数这个一直沿用的公式，足本文最重要的收获， 偏离的i 要原凶司能是噪声随光强的衰碱j 酊f 降，是个复杂的单调函数。占使得脏搬、j 测量值偏离真值。尽管日r 能只差几个戌，最多不会超过5 0 船m ，但时间衰减法总不能算 是个准确的绝对铡晟，还需要其它方法来验证，造成兀可挽回的遗瓞。真没想到，2 0 多。 来一直以为是最标准的方法，竞还存在这么根本畦的缺陷。 关键闫：无源谐振腔，损耗，时间衰减法 关键谰：无源谐振腔，损耗，时间衰减法 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r c t t h i sr e s e a r c hp a p e ri sa i m e da tt h em e a s u r e m e n to fh i g hr e f l e c t i v i t yo fl a s e rm l r r o r s a tp r e s e n t 、t h em o s ta d v a n c e dt e c h m q u ei nt h i sf i e l di st om e a s u r et h et o t a l1 0 s so fap a s s i v e r e s o n a n tc a v i t y c o m p a r i n gt h et o t a l l o s s e so fe m p t yc a v i t yw j t hc a v i t yi nw h i c ht h em j r r o r t ob em e a s u r e di sc o n s i s t e d ，w ec a nc a l c u l a t et h el o s s ( i n c l u d i n gt r a n s m i t t a i l c e ，a b s o r p t i o n a n ds c a t t e r l o f t h i sm i r r o r c h a p t e ro n eg i v e sas i m p l e r e v i e wo ft h ed e v e l o p m e mo ft h et e c h n i q u ef o r h l g 1 r e f l e c t i v i t ym e a s u r e m e n to fo p t i c a lc o a i i n g s a st h er 印i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u ef 、o r h i g hr e n e c t i n gm i r r o r s ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sf o rr e f l e c t i v i t ym e a s u r e m e mc a n n o t 矗ht h e u r g e mn e e d s t h es o c a l l e do p t i c a lc a v i t yd e c a yt i m em e t h o dh a sb e e np r o v e dt ob es u i t a b i e t e c h n i q u ef o rm e a s u r i n gt h ev e r yl o w1 0 s s o fo p t i c a lc o a t i n g sn o wa v a i l a b l el t i sa n e ) ( t r a o r d i n a r ym e t h o df o ri o s sm e a s u r e m e n t ，t h el o w e rt h e1 0 s so f t h ec a v i t y ， t h eh i g h e rt h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h et h e o r yo fo p t i c a lc a v i t yd e c a yt i m em e t h o d i nc h a p t e rt h r e e ，t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n dt h ep r i n c i p l eo fe l e c t o c i r c u i td e s t g n a r ee x p l a i n e di nd e t a 订 t h ec h i e fc o n t e n to fc h a p t e rf o u ri st os u p p r e s sm e c h a n i c a lv i b r a t j o nd js t u r b a n c e sa n d e l e c t i cd i s t u r b a n c e st h e s ed i s t u 南a n c e s h a v eh a r m f u li n n u e n c eo n e x p e r i m e m 刚 m e a s u r e m e n t st h ec h i e fd i s t u r b a n c e sa r el h er i p p i eo fd i r e dc u r r e n tp o w e rs u p p i yt os c a np z t r e s o n an tb o xe 仟e c t o fu s u a l o p t i c a l t a b i e u s i n g t ow e a k e nt h ee 1 1 、_ l r o l m l e n l a lv i b f a t l ( w d i s t u r b a n c e s ，a n dt h ee 忭e c to fa i 羁g wt h er e s o n a n lb o xe 秆e c t st h em o s ti m d o r t a m i nc h a p t e rf i v e ，w eu s et h ee x p e r i m e n t a ls e t u pc o n s t r u c t e da n dt h ec a v j t yd e c a yt i n l e m e t h o dt om e a s u r et h et o t a l l o s so fap a s s i v ef e s o n a n tc a v i t y ，a n da n a l y s et h ee x p e r i m e n t a l d a t al nv e r yd e t a i lw ec o n c l u d et h a t ，i np i e s e n te x p e f i m e f n a lc o n d h i o n si ti st h eu n i f b n l i t v a n ds t 曲i i i t yo fl a s e rm i r r o rt oc o n f i n et h ep f e c i s i o na n dr e p e a t a b j l l t yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s u n d e rs t e a d ys t a t eo fl a s e rm i r r o rl o s s ，t h et o t a l1 0 s so ft h ec a v i t yt ob em e a s u r e di s 7 7 37 8 o4 7 二p w e m e a s u r eh i g h e r l o s sc a v i t i e sa l s o 、t h er e s u l t sa r e1 7 1 53 4 06 1 肼，月7 、 2 0 9 24 6 l4 2 ，p 第2 负 国防科学技术大学研究生院学位论文 t h em o s ti m p o r t a n tf e s u l ti st h ed i s c o v e f yt h a tt l l et i m ed e c a yc u r v ed o e sn o ta c c o r d 倘he x n e n t i a ii a w ，w h i c hi su s e du n | v e r 蚓i y 丁h em a nc a u s a t l o ni si i k e l yt on o i s em o n o t o n i c a i | y d e c r e a s e ；nc o mp i “m a n n e la i o n 9w l t ht h ea n e n u a t i o n0 f1 g h ti n t e n s i t y 1 tm a k e st h ec a v n y m e a s u r e dv a i u ed e v i a t ef r o mt h et r u ev a | u e hi sp o s s j b i et h a tt h ed i 仃e f _ e n c ei sn o te x c e e d i n g5 0 芦p mo ro n l ys e v e r a l 形张，b u t i tl n d i c a t e se n o u 9 ht h a tt h eo p t c a lc a v 时d e c a y 虹m em e t h c d j s me x a c ta n da b s o i u t e i ti sn e c e s s a r yt ov e r l i f yt h er e s u l t sb yo t h e rm e t h o di ti sa n i n c u r 曲l ep i t y i t i su n e x p e c t e de n t i r e l yt h a tt h em o s tn o 邢a t i v em e t h o dc o n s i d e r e df o ro v e r t w e n t yy e a r se x i s t f u n d a m e n t a ld e f e d k e yw o r d s ：p a s s i v er e s o n a n tc a v i t y ，l o s s ，o p t i c a lc a v i t yd e c a yt i m em e t h o d 第# 负 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本课题的选题，是基于激光陀螺用极高反射率膜片的测量需要。高质量膜片的需求促 进了新型镀膜技术的发展。随着高水平基片抛光技术和光学镀膜技术的进步，纯损耗( 吸 收、散射之和) 小于1 0 0 p p m 的激光膜片已经常用，总损耗( 透射、吸收、散射之和，以f 简称损耗) 为几十到几个脬聊的膜片也不罕见i 啦】。 随着光学镀膜技术的进步，国内外关于高反射率光学膜片损耗( 1 一月) 测量的研究也 分广泛和深入。但要测量如此低的光学损耗，传统的测量方法根本无能为力，因为布：管采 用何种具体形式，总的思想都是用待测镜片的反射光强与入射光强相比较来求得膜片的反 射率，反射率越高，测量难度越大。使得超低损耗光学膜片的测量实现突破的是1 9 8 4 年 d z 一，础脚提出的测量无源谐振腔内光强衰减时间的方法1 3 】。这一方法是将连续的激光 光波入射到含有待测镜片的无源谐振腔上，待腔内建立起稳定的激光振荡之后，用高速光 开关迅速切断光源，此后谐振腔的输出光强将呈指数衰减，衰减时间r ( 光强下降到初始 值的1 p 所用的时问) 与腔的总损耗成简单的反比关系，通过测量r ，就可以得到无源谐振 腔的总损耗。若腔内其它镜片的损耗之和已知，就可以得到待测镜片的损耗，进而得到镜 片的反射率。这一方法对无源谐振腔内部损耗具有高灵敏度，而且谐振腔的损耗越低，睦 内光强的衰减时间就越长，测量精度电容易越高，从根本上消除了对极高反利率测量k 制。这一方法一经提出很快就在各种微弱损耗的测量实验中得到了应用o 】，目前国外l 二纤 有了这方面的商用仪器【6 j 。国内，梁永辉老师的博士沧文中在国内技术允许的条件下，函 次实现了采用连续光波的时间衰减法测量无源谐振腔的损耗的实验n ，但由于电光计戈。 能不佳，测量结果不理想。另外梁永辉等还采取了其它方案。一种是对入射光的调幅光波 法，又分为出射光的幅度法测量和相位法测量两种。在幅度法测量中，由于调制晶体存杓： 严重缺陷，更由于幅度法测量对激光器与待测无源谐振腔对准程度的稳定性非常敏感，受 实验环境影响非常大，凶此实验结果亦不理想，测量的离散性相当大，在经过多次的实验 验证之后，幅度法测量最终被放弃了。在相位法测量中，实现了无源谐振腔总损耗的精确 测量，总误差小r2 艘n ，其中小抖动调制的压电陶瓷，它的非线性带来的不确定性足限 制测量精度的i 三要因索。为了验证相位法的测量结果，又做了采用三角波扫描无源喈振腔 的压电陶瓷，观察腔的透射光谱，从而得到谐振腔的半宽度，作为验证实验。实验c ，发现， 毓4 币 国防科学技本大学研究生院学位论文 这一方法的测量结果严重依赖于三角波扫描电压的频率，只有在低扫描频率下得出的测量 结果才能在误差范围内验证相位法的测量结果。这是因为光强在谐振腔内的建立接近稳定 需要一定的时间，压电陶瓷扫描过快，会使激光频率经过谐振腔的谐振频率附近的“充光” 时间不足，造成谐振腔内的光强随时间的变化偏离甚至严重偏离洛仑兹线型，曲线的蜂值 光强变小，半宽度增加，峰值两边不对称l lj 。这一方法在低扫描频率情况f 在误差范围内 验证了无源谐振腔损耗的“相位法”测量结果，但离散度很大。并且这种测量方法仍属于 常规的测量方法，即损耗越低，谐振的谱线宽度越窄，测量越困难，对于我们的超低损耗 腔是不适用的。 其实在梁永辉相位法的测量精度也很高，如果能使用肌w r 一砌，稳频法，没有压电 陶瓷非线性带来的误差，去除主要误差因素，测量精度还会更高，只是系统设备比较复杂， 千起来比较困难罢了。而时间衰减法由于原理简单，只要能买到满足快速的光开关，就能 实现时间衰减法的测量。因此梁永辉老师设计了这样的方案：对输入光进行调幅，用 尸。耐一d n 埠卜胁，方法稳频，最后测量相位随调制频率变化以算出损耗，它与时间衰减 法在同一谐振腔交替运用，把结果相互比较，以便相互验证测量结果。因此原计划由粱水 辉老师负责，本人协助，根据时间衰减法和相位法研制一台仪器，其中以时间衰减法为主。 但后来由于种种原因，原先的计划有重大变动，所定购的实验设备中除声光开关最先到货 外，已取消了其他器材的定购。原先的计划难度和工作量很大，定购的主要器材已被取消， 加上梁老师另有任务不能继续参加本项工作，只好改由在高教授的直接指导- f 只进行j ，时 间衰减法的实验，南本人承担t 作。 本课题的主要工作是探讨极高反射率测_ 舄= 仪的工程化的力。案和存在的问题。首先要考 虑怎样更换镜片的问题，尺寸要合适。在光路设计时，必须合理布置有关器件的摆放位置 和选定适用参景。谐振腔有密封的闭腔和暴露于空气中的开腔两种，每种都可用直形腔耵 环形腔两类，直形腔还可改为折叠腔，各有优劣。为了更换待测片的方便和测量计算的。方 便，并且为了腔的结构简单，所用的腔片最少( 这样除待测片外，腔的损耗为最小) ，我 们选用了开腔，并且加待测片之前是直形腔。腔的长度大有助于精度提高，但仪器尺寸过 大是不利的。经过考虑和设计，最后直形谐振腔长o5 m ，外观尺寸6 0 8 0 册：。 在电路设计上，必须能扫描探出谐振频率并通过谐振频率线宽范围时足够缓慢，给于 充分的充光时间。最后要定下数据的采集i 刈题和处理。法。枉电路设订e ，有模拟电路和 数字电路两种方法。极缓慢的扫描对模拟电路很难，最后采用数字电路。并曰采用多次扫 描不断缩小扫描范围，缩短步长，逐渐缓慢通过谐振点的办法。当光强在极大值附近【f 寸， 瓤s 而 国防科学技术大学研究生院学位论文 由单片机发出控制信号，切断光开关，同时给出触发信号给采集卡，采集卡记录下光开关 关断前后谐振腔透射输出光强的曲线。由最小二乘法拟合，计算出f ，。对不同腔片组成的 损耗腔，测得直形无源谐振腔的损耗重复测量结果分别为7 7 37 8 o 4 7 珲聊， 1 7 1 53 4 o 6 l 佯脚，2 0 9 2 4 6 l4 2 印忉。 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章采用时间衰减法测量无源谐振腔损耗的原理 本章讨论如何采用时间衰减法实现无源谐振腔损耗的测量。首先简要介绍了无源谐振 腔损耗的概念及腔的谐振性能，详细论述了采用时悯衰减法测量无源谐振腔总损耗的燎 理。 2 1 1 无源谐振腔的损耗f ，8 l 2 1 无源谐振腔的性能 无源谐振腔的损耗是由光在谐振腔内绕行周联经历的衰减来定义的。如果切断输八 光后，腔内的初始光强为，o ，光在腔内绕行一- 周后光强衰减为，则由下式定义谐振腑 的平均一周损耗因子疋 ，l = ，o 已 f 2 1 如果损耗是由多种因素引起的，每一种原因引起的损耗都可以用一个相应的指数损耗冈f 占，来描述，则万。就为各个损耗因子的总和 占。= 巧， ( 2 ，2j 若取f = 0 时刻的光强为，。，则z 时刻腔内的光强为 ，f ，) ：，p 一：，p 毒， | ，( f ) = ，p = ，p 。r t 2 _ 1 h 叶1 r 一：上， ( 2 4 1 j c 式中上为光在谐振腔内绕行一一周所走过的路程，c 为光在腔内的传播速度，掣为，秒内) t l 在腔内绕行的用数。f 称为谐振腔的时间常数，它表示腔内光强衰减为初始值的i 屈所经 历的时间。由( 2 4 ) 式可以看出，万越大，r 越小，说明腔的损耗越大，腔内光强衰减得 越陕。 r 也称为光子征版! 内的平均寿命，这一一点由卜面的推导可以希出。设，时刻腔内光子 第7 负 国防科学技术丈学砸j 冗生阮学位论文 数密度为砸) ，它与光强，( f ) 的关系为 ，( f ) = 砌 ( 2 j ) 式中u 为光能传播速度，v 为光的频率， 为普朗克常数。将( 2 5 ) 式代入( 2 3 ) 式得出 砸) = p 。 ( 2 6 ) 式中巩表示f = 0 时刻的光子数密度。上式表明，由于损耗的存在，腔内光子数将随时间 依指数规律衰减，到f ：r 。时刻衰减为凡的! 。在，f + 加时间内减少的光子数密度为 一咖：墅p 矾f 27 ， f f 这( _ 砌) 个光子的寿命均为，即在o 这段时间内他们存在与腔内，而再经过无限小的 时间间隔前后，它们就不在腔内了。对上式积分，由此可以计算出所有埔个光子的平均 寿命为 b 去：( _ 西，x = 吉fr 詈 e ：出= l c ：s ， 这就证明了腔内光子的平均寿命为0 ，腔的损耗越小，t 越大，腔内光子的平均寿命就 越长。 无源谐振腔的损耗一股包括腔的儿何偏折损耗、衍射损耗、腔镜反射不完全引起的损 耗以及腔内物质的非激活吸收、散射，腔内插入物引起的损耗等，。稳定谐振腔的几何偏簪 损耗可以认为是零，只要无源腔的光阑和反射镜积远比射在镜面t 的光斑大得多，衍射损 耗与其它损耗因素相比亦可以小到一j _ 以忽略：，通常腔内只有清洁气体，其吸收、散射亦 r 小。吲此谐振腔镜片的透射、吸收和散刺损耗成为主要因素。奉义在叙述中只考虑谐振腔 镜片引起的损耗，但电适用于存在其它损耗的普遍情况。 激光镜片的性质一般以它的光强反射率月、光强透射率，和纯损耗( 包括吸收羽散利) 4 来表示。这三者满足关系武r + 7 + 。4 = j 。对f 具有仟意及劓率矗的镜片，可以山f 定义_ 7 个镜片损耗因子占 尺三e ( 29 j 肖镜片反射率接近于1 时，占可以极好地近似表示为 占= 一聍= r + 4 ( ! 【) j 鼐h 虹 国防科学技术大学研究生院学位论文 因此对于高反射率镜片，一般就称j 为镜片的总损耗，它包括镜片的透射、吸收和散射损 耗。 由妇个镜片组成的谐振腔的损耗因子5 。为 占。= 一l n ( r r r 。) = 6 ， ( 2 1 1 ) j 引 当各个镜片的反射率接近于1 时，艿。可以表示为 艿。= ( z + 4 ，) ( 2 1 2 ) 式中正为第j 个镜片的透射损耗，彳，为第i 个镜片的纯损耗，( 7 ：+ 爿。) 第，个镜片的总损耗 占。称为谐振腔的总损耗。 由( 2 4 ) 式可以看出，谐振腔的总损耗与腔的衰减时间t 成简单的比例关系，只要 设法测得腔的衰减时间，就可以求得腔的总损耗。这正是爿，m 耙，砌j 时间衰减法i ”沏4 量谐 振腔损耗的出发点。 如果衰减时间的测量存在一定的误差r ，由( 2 4 ) 式得到损耗的测量误差为 陋j = 专m 以掣 ( 2 ， 如果测得的b 。1 能为定，则陋疋j 4 r 如果与能为一定，则】疋| 。2 表明，谐振腔的损耗越低，光强衰减时间越氏， _ ! _ f ：国际i 迅速推广的原因。， 2 1 - 2 无源谐振腔的透射特性” 以图2 2 所示的直腔为例。图中 m ，、m 、分别为谐振腔的输入、输出 镜片，谐振腔的往返腔长为上，m ，、 m ，之间的长度为= 上2 。 设入射到谐振腔输入镜片m 上的 测量精度也越高。这正是利间衰减法得以 m im ! 图2 2 无源谐振腔示意矧 碘9 员 国防科学技术大学研究生院学位论文 激光光波场电矢量为 咤o ) = 岛e x p ( 砌。f ) ， ( 2 1 4j e 为场矢量的复振幅，。为光波的角频率。当输入光与谐振腔的模式完全匹配，谐振腔 的透剩光波场的电矢量为 聃，= 餐瑟瑟掣船蜘， 其中7 ：、己分别为输入、输出镜片的透射率，足为光从m 。片射向m ：途中各个镜片反射 率的乘积( 若无则取r = 1 ) ，月为所有镜片反射率的乘积。各腔片反射时的相移相当 微小光程长度按规定已经隐含在和r 之中了。 由( 2 1 5 ) 式得到谐振腔透射光强的表达式为 仁而鬻l ( 1 瓶) ! + 4 缸s i n2 ( 訾) 其中，。= 1e 。i2 为入射光强。当入射光波场的角频率纨满足 。= 。：2 导；2 石匕o i 自然数) l 时，谐振腔的透射光强最大，此时 k ，黼，o ( 2 】7 ) 式为谐振腔的谐振频率条件。屹2 ”号称为谐振腔的谐振频率 时j 二趟低损耗腔，州近似成 州巩号捌艮e 枷，) ，。，咒。 1 t + 饼 式c 1 妒。令 ( 2 1 6 ( 21 i j ( 2i9 1 27 ”j 筇1 【j 负 国防科学技术大学研究生院学位论文 丁：兰盟 。 6 j ( 2 2 2 ) 国= 抛肛疋壶 7 ：。为谐振腔的峰值透过率，疋为谐振腔的总损耗，等为谐振腔谐振频率谱线半极大的 半宽度( 日删) ，y 为全宽度。 对于对称腔 ( 2 2 3 - 南_ j 2 4 j 由上式可知，原理上，构成无源谐振腔的输入、输出镜片透射率7 越大，出射光强越夫， 信噪比越大；但透射率一大，则屯= 2 ( 7 1 + 4 + i + 爿。) 就大，r 。= 小，对测量精发小 c 0 利。考虑到两方面i 的因素，二者必须达到合理的匹配。还有，待测片的爿。+ 瓦应该有一定 2 2 时间衰减法测量腔损耗的原理 ( 2 ：；) 式没有涉及到入利光柬被光开关切断的问题，f 面讨论一下( 讨沦仪限j 二翘攸 损耗腔) 。时间衰减法测量谐振腔的总损耗要求光源迅速被切断，这就要求光开关的相应 时间要足够快，“足够快”的含义可以参考梁永辉老师的博士论文，在这里只把结论叙述 - 一卜。 入射到待测无源谐振腔上的激光_ ) 匕波场的表达式可以写为 巨= e x p ( ，出。，) ， ( 2 2 j j 其中e ，为场矢最的复振幅，并假定它为常数。 假设在，= o 时刻入射光波场被迅速、平滑地关断，那么入射场的时域表达式町吼与成 南 国防科学技术大学研究生院学位论文 如下形式 互o ) = 毛e x p o 国。f ) ，fc o ， e ( f ) = 毛e x p 卜以+ f ，l ，o 式中九：土，为光开关的时间常数“。 f 5 可以求得谐振腔透射光场的表达式巨0 ) 为 鳓划。手捌八，。 ly 。+ f v o n 一国c 删州 毫捌+ 芦剃 ( 2 2 6 j ( 2 2 7 ，1 ( 2 2 7 h ) 式中儿= 国，f 。= c ，4 的含义见式( 2 2 1 ) 。 ( 2 2 7 a ) 式代表谐振腔对未关断之莳 的入射稳态光波场。( 2 2 7 t b ) 式则表示谐振腔对光开关的响应。由此可以看出，当y ( ( y 。 时，( 2 2 7 b ) 式右边第一项将起主导作用，经过短暂的过渡时间之后，谐振腔的输出基 本t 完全反映了光开关对入射光的缓慢衰减过程，腔本身的特性没有得到体现。相反， 当儿) y 。时，经过短暂的过渡时问后，( 2 2 7 b ) 式可以表示为 训4 爿。 矬掣。 由此可以看出，若光源能够快速切断，营振腔的透射光场将以腔的特征速率衰减，而且输 叶 光场的频率为腔的谐振频率m ，两非入射光场的频率。几) ) 心的条件就是对光开关“陡 速”关断性能的摘述。 上式基本能反映谐振腔对入射光波场的响应，但存在不足。当开关为理想开关，即 y 。：土为无限大时，由( 2 2 7 ，a ) 可知在关断之前透射光频率为出。关断之后透射光的豌 f 5 ”光开关切断光的时间衰减函数多半不是严格指数函数，如图26 实测结果就不是。文献 3 用这样的函数多半是为 ，容易得出数学解析式，便于进一步讨论，我们仍用这些结果， 4 i 想另作讨论。 簿j ? 页 里堕型学技术大学研究生院学位论文 率立刻变为珊c ，这显然是不合理的，这说明( 2 2 7 b ) 式的近似性。但是如果只考虑足够 长的过渡时问后的时间，该式还是能基本反映透射光随时问的变化的。 下面讨论一下光开关速度对透射光强的影响，为了简单起见，假定国。：m 。+ z 吼) - “p 引掣+ 辎 l l n ( 2 2 9 j l = ( 毛4 匀2 e x d 一以v 阮一以，+ e x r 卜以，妖t 一( ，一参) 弼： e z - 。， 当y ；) ) 以时，忽略( 2 3 0 ) 式中右边第一项的影响 = ( 4 ；) ： “一卜一r 沂以( ，一薏) 2 e z 。， 我们现在的无源谐振腔衰减时间大约为为42 7 胆，图2 3 是r ，：l k 分别取01 膨、o2 ，“ 得到的( 2 3 0 ) 式与( 2 3 1 ) 式随时间的变化曲线，纵坐标为任意单位只是为了比较说明。 一卜 i 啦、 m 4 鬟、壬弋。j ”、 ； “臻磊r 靠矗舂巍谢童 i 、 图2 3 形与，随时间对透射输出光强影响的对比 由图中可以霜出，光开关对透射光强的影响持续约三倍r 。，在最后处理数据时，这段f j 间内的数据要去抻。 。实际上，这个假定一般无法碰l ：，当出。珊。时，交叉拍频项含有c 。s 【( 。国。1 ，学线 衅宽度为去棚采掣为此值的去或酣瑚慨，。卜导卅瞅翻， 哭，过渡段的，c ，所以p u 。i ，熹，训，c 。s ( ，一埘。】兰l ，故司用以，：吵汁辫：。 1 而镑】3 啊 一 一 飞、 一 、 乏 一 弋 叠 一 、 曩， f心ij趑一 里堕型兰垫查奎兰堑壅圭堕兰丝堡苎 第三章实验装置 3 1 实验装置光学部分 光学谐振腔由两个或两个以上的光学反射镜片组成。两个镜片构成直腔，两个以l 的 镜片构成折叠腔或环形腔。谐振腔是激光器的重要组成部分，当腔内不存在激光活性物质 时就称之为无源谐振腔或非激活腔。 ( c ) 环形腔 图2 1 卣胯( 折叠腔) 与环形腔 3 1 1直腔( 折甍腔) 与环形腔歼腔与闭腔 测片 ( b ) 折叠腔之 测片 谐振腔有密封的例腔和暴露于空气中的开腔两种，每种都可用直形腔和环形腔两类： 直形腔还可改为折叠腔，各有优劣。为了更换待测片的方便和测量计算的方便，并且为r 腔的结构简单，所用的腔片最少( 这样除待测片外，腔的损耗为最小) ，我们选用了 丹腔， 弗且加待测片之前是直形腔。在以前时问衰减法的测奄仪器中用的都是闭腔，相对与开4 j ： 来说，闭腔有很多优点，如结构比较稳定，受外界震动影响较小等。但闭腔也有很大的缺 点。首先，更换镜片不容易。闭腔上待测片采用光胶的方式，史换几1 一次最多几百次以后， 就要重新抛光，抛光多次就将报废了。冈此，用闭腔来测量，只能足从批镜片中拙测 片，榆验段时问内的镀膜水甲，这样作为一台仪器才能h 的时m 比较长。其次要想测甜 扩一 v 一 一口 * 乜 国防科学技术大学研究生院学位论文 待测片的损耗，在测得腔的总损耗的情况下，必须知道其它镜片的损耗之和。采用适当数 量的镜片进行若干次测量可以得到各个镜片的损耗。例如可将三个镜片组成两两不同的直 腔分别进行测量，得到三个联立方程组，由这些方程即可解出每个镜片的损耗。这样在知 道其它镜片损耗之和的情况下，再加入待测片即可求得待测片的损耗，在透射率己知的情 痫孺虱碗万确双_ 射牢r 谶撵鹊测曩毒j 坯姬操往起塞复挚。面且镜丘垄近装过程中矸i 可避免的受到损坏和污染，损耗很可能会有所变化。而且时间一长，镜片的损耗电会变， 耍想做到准确测量，必须重新校准。这是闭腔非常不方便的一面。另外闭腔只能用来测量 固定入射角度下的损耗。 相对与闭驼亲移k 珏琏查这方面就有着很大的优越性。先测量不加待测片时空腔的攒 耗( 图2 4 - a ) ，然后插入待测片，将m 。旋转弼圈i 率幅的位置，涮得有待测片州 o 腔掘摇珥者乏岩弼忑n 君萌舒爨! 片岳每损耗。在透射率已知的情况下，即可泵孺其纯损耗。 非常方便，而且可以测量任意入射角度下的损耗。 当然开瞻也有些不利的方面，容易受震动、气流等的影响。目前为止除了，一台美国的 仪器采用开腔以外，尚未发现有冥它澍垦役器盘晕帛这样的结构。美国仪器的测量精度现 在还不太清楚。至于采用开腔结构存在哪些问题，精度如何，更是不得而舸。奉文钓主要 工作是探讨极高反射率测量仪工程化的方案和存在的问题，其中采用开腔结构的可行性就 是其中的一个很重要的问题。 p z t 偏振器 纠2 片 m 图2 4 _ b 插入待测片 p d m 筑35 玎 实验装置如上图所示，有关尺寸问题在参量匹配一节中详细说明。激光器为胁一胁激 光器，由一个平面输出片和一个球面片构成，内置布儒斯特窗。m ，、m ：为模式匹配镜片， m ，、m 。组成无源谐振腔，m 为待测镜片。 3 1 2 无源谐振腔 构成无源谐振腔的镜片透射率的选择是个很重要的问题。由2 1 的讨论可知 仁南 妲3 2 j 假定当7 1 = 爿时，无源谐振腔的衰减时问为f ，此时透射光强为去l ：假如透射率增力“到 l 。爿，虽然此时透射光强为( 翔2 厶z 。8 3 厶，增加了近23 倍；但衰减时间却减小到吾r ， 只有原来的五分之一；若透射率减小到去爿，此时衰减时间为署r ，增加，近一倍t 但 光强，= ( 击 ! l “。，。8 3 厶却减小丁3 。倍经过比较，我们认为7 与爿大致相等是比较合 以上讨论为空腔，当腔内有待测片时， 仁币去酉- ，o ( 2 3 3 ) 当插入待测片时，如果待测片损耗很低，即彳。+ t 比4 + 7 1 小得多，不会受多大影响， 但两者的疋差值百分比很小，这将给玩差值的测黾带来较大的百分比误差n 但n n 果4 一7 。 比爿+ r 大得多，虽疋差值很大，是测量的有利因素，但，却减小很多是不利的n 综含考 虑，若取7 三月，! l ! l j 。+ t ) 八月+ 7 1 ) 的测量范围在o 0 2 3 较为合适，其中高限来自对， 的h 算，低限来自j 3 的实验数据。 3 1 3 隔离器 隔离器由法拉第旋转器和g r a n t h o m p s o n 棱镜偏振器组成。法拉第旋转器是种“ 互易”的光学器件，它可以将某一特定波长线偏振光的i e 向入射光及反向入劓光的偏振丽 都向时乃向旋转间。角度，而与光束传播方向无关。把一个n t 将入射光束偏振旋转 f i i 一 国舫科学技术大学研究生院学位论文 4 5 度的法拉第光旋转器与偏振器组合，可构成一台光隔离器，它只允许正向传播的光束 通过该系统，而将反向传播韵光束阻断，避免对光源产生干扰。 法拉第光旋转器由磁光材料、磁体及调整机构等几个主要部分构成。在可见光及近红 外波段目前最常用的磁光材料是t g g 晶体( t e f b i u mg a l l i u mg a r n e t ，铽镓石榴石) 、掺铽 玻璃等，它们都具有较高的v e r d e t 常数和透过率，以及良好的机械、物理、光学性能， 从而可以制造出小体积、高性能的光旋转器。磁体用磁光系数大的材料，使尽可能短的磁 光材料产生4 5 度偏振旋转角度。目前磁体多采用高性能永磁体n d f e b 制作。 1 3 1 4 二z 波片 2 实验中选激光管布儒斯特窗的入射面与仪器的试验平台垂直，偏振片的通光方向亦是 产生垂直于平台平恧的s 偏扳光。由于加进法拉第室旋光4 5 0 ，故待测片的s 偏振光及p 偏 1 振光都不能测。光路中必须加入三五波片使线偏振光变成j 偏振光或p 偏振光才能测量待 上 测片，并可随需要测对5 偏振光或p 偏振光的性能。 3 1 5 模式匹配 实践中我们经常遇到这样的问题：如何将一个稳定腔所产生的高斯模与另一个稳定腔 的高斯模相匹配。所谓模式匹配指的是入射的单模只激发系统的一个相对应的单模，而不 激发系统其它的模。也就是说入射模的能量全部转入系统的对应模，而不发生向系统其它 模的能量转移。这样入射模的参量在进入系统后成与系统对应模的参量完全一敏。为此， 通常采用一个适当的光学元件或系统将入射光束进行变换，使其与被激发的模完全匹配。 我们现在使用的擞光器以基模为主，所以在这里只讨论基模的匹配。对于模式匹配可以根 据已知参数的不同形式，采用几种不同的方法来处理匹配问题。例如，可以通过光束腿睇 来计算所需要的透镜的焦距和位置。即当透镜把一+ 个腔的光束腰部成像到另一个腔内时， 两者的腰斑大小和位置应该相同。如果不是光腰变换，而是再某个参考面l 二进行变换时， 应保持两者的复光束参量相同。 本实验中的光学系统如下图所示，激光器由一个曲率半径为l ，的球面全反片和。个 平面输出片构成，腔长为1 65 啪( 单程) ，由它产生的高斯光束束腰位置在平面输出片上， 腰斑半径为w 产o2 7 3 4 3 ”m ：无源谐振腔由豫个曲率半径为l n ，的球面片构成，腔长为 5 0 c ，( 单程) ，由它产生的高斯光束束腰位置在腔中心，腰斑半径为m ，= o2 9 5 3 3 。r 铺】7 贝 国防科学技术大学研究生院学位论文 面讨论一下这两个腔之间的模匹配。 本课题的主要任务是实现极高反射率铡量仪的工程化，将其做成一台可以实际使用的 仪器。因此仪器的尺寸在设计过程中是一个不得不考虑的重要问题。工程化要求仪器尺i l 不能太大，为此我们设想通过两个球面反射镜m ，、m ：按如下位置摆放，选用适当曲率 半径的镜片，实现两个腔之间的模匹配。 p z t m m 2m 3 图2 5 高斯模的匹配 设激光嚣输出片到m ，的距离为，；，a 彳到m ：的距离为，1 ，m ：到无源谐振腔中心的距 离为z 。 入射高斯光束经过m 、反射后，光腰大小wt 和位置，1 ( 光腰到镜片m ，的距离) 可由 下式求出 卜，+ j 尝 “卅2 0 警j 二：一 一一- 。芍 厂= 删2 ，式中尺为m ，的曲率半径， ( 2 3 3 j ( 2 ：；4 j 同样可以计算出经过m ：反射后光腰大小w 二和位嚣，：( 光腰到镜片m ：的距呙) ，和经过 m ：后的光腰大小w 3 和位置( 光腰到镜片m ，的距离) ，只要使得w ，= ，：= 去，即 可实现两个腔之f 刚的完全匹配。 从一个系统基模耦合到另一个系统基校的功率耦合系数是 符一三一一 ( 2 ：矧 睁小岛 ： 镌l8 顶 国肪科学技术大学研究生院学位论文 式中w 、1 h ，分别为入射模和谐振腔模的腰斑半径，z 为两腰斑之闻的距离。 经过计算，当= 4 】6 删，2 = 6 7 c 掰，= 4 0 c 坍时，基模的耦台效率r 兰1 2 3 6 声光开关 声光开关是本系统中非常重要的部件，对它的要求是能够在足够短的时间内完全关断 光源。2 3 的推导已经指出，如果光源关断速度缓慢，谐振腔的输出将是两个衰减信号 的耦合，这将给测量带来很大的误差。因此寻找性能良好的光开关是本课题得以顺利进行 的关键。这里实验所用的是法国生产的声光开关，其响应时间最小为1 5 邶，性能不及电光 开关但价格只有电光开关的l 1 0 。由于光开关的速度与光斑直径成正比，其具体关系 为1 6 0 m m 。实验中我们所用的激光器输出片为平面片，高斯光束的腰斑正好在输出爿 位置上，因此声光开关在放置时应尽可能靠近激光器。声光开关驱动器加z 记调制信号， 测量光波的下降时间，图2 6 - a 为光电接收器的相应信号，图2 6 b 是将图2 6 一a 中的o5 至15 脚时间段的数据放大后得到的图像。根据声光开关说明书中对开关速度的定义( 光 强由最大值的9 0 下降到最大值的l o 所需的时问) ，其衰减时间为1 2 5 珊，要完全排 除开关的影响，大概时间要3 2 5 门s 。相对与我们现在的腔损耗来说，约牺牲最好的9 的 光强段，这一牺牲是满足实验要求精度所能允许的。腔损耗越低，需要牺牲的光强段所占 的份量越小。 f f 一一一、 1 7 f 图2 6 声光开关响应曲线 i h 、 在声光开关的说明书中，声光开关一级衍射光的转换效率大于8 i 。最初实验中所用 的声光开关一到货的时候转换效率就只有5 0 多一点，使用t 扣效率逐渐减小到比5 眦小 点，后来很久未用，再次使用时曾有次误操作，结果转换效率只有l 、2 左右n 讹1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 高教授请了梁永辉老师来看，认为是声光开关的驱动电源坏了，从法国重新订了一台。新 的驱动电源来了一试，还是不行，不得不怀疑是声光晶体坏了；为此高教授又请了季家铬 老师，季老师给了一份关于声光晶体结构的材料“，声光晶体的结构图如_ f 所示。 图2 7 声光晶体结构示意图 为了在声光晶体中产生超声驻波，在声光晶体上镀上一层金做为一个电极，然后蒋镀 上一层压电陶瓷，压电陶瓷上再镀一层金做为另一个电极。由于超声的频率较高，因此压 电陶瓷非常薄，般采用离子溅射的方法。其中电极部分的详细结构见下图， 图2 8 电极结构示意图 其中个电极是曲面结构，