（光学工程专业论文）光腔衰荡法极高反射率测量技术.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 在高能激光系统中，腔镜、调整镜等反射元件的反射率是一项重要指标，对 激光器输出功率和系统发射效率有很大的影响。随着光学薄膜镀制技术和基片抛 光技术的进步，反射率超过9 9 9 5 的激光膜片已经常用，反射率达到9 9 9 9 9 8 的膜片亦见到报导。与此同时，以多次反射法为代表的传统反射率检测方法已无 法满足对极高反射率的测量要求，基于光在无源低损谐振腔中衰荡时间测量原理 的光腔衰荡法被提出和发展起来，成为普遍认可的测量极高反射率或超低光学损 耗的最为先进的方法。 本文针对氟化氘高能激光系统中极高反射率元件的反射率测量问题，对光腔 衰荡技术进行了研究，主要内容包括： 1 、对反射率测量技术的发展进行了调研，对具有代表性的测量方法进行了 比较，对光腔衰荡技术的历史与现状作了综述。 2 、介绍了光腔衰荡法测量反射率的原理，讨论了一些主要误差因素对测量 精度的影响。根据基模高斯光束的空间传播规律，采用光腔矩阵方法，对光源脉 冲宽度、探测器响应时间、接收孔径、谐振腔失调等对衰荡波形的影响进行了数 值模拟研究，为实验工作提供了有力的指导与重要参考。研究发现：( 1 ) 响应时 间较长的探测器会使包络区域变得狭长，但不影响衰荡时间测量，因而可以将探 测器响应时间要求适当放宽；( 2 ) 小接收孔径对谐振腔失调更为敏感，可以用于 精密调节腔长。 3 、在实验室现有条件基础上，设计并建立了一套脉冲光腔衰荡法测量装置， 使用直腔和折叠腔对镜片在1 0 6 p m 波长的反射率进行了测量，通过对实验结果 的误差分析，直腔和折叠腔测量的重复性达1 0 4 量级，准确性优于1 0 0 量级； 4 、对光腔衰荡法运用于氟化氘波段进行了探讨与分析，就下一步工作提出 了建议。 关键词：激光光腔衰荡反射率直腔折叠腔 第i 页 a b s t r a c t t h e r e f l e c t i v i t yo fm i r r o r si so n eo fi m p o r t a n ti n d e xw h i c h i su s e di nh i g h p o w e r l a s e r s 1 1 1 er e f l e c t i v i t yn o to n l yi n f l u e n c et h el a s e r sp o w e rb u ta l s ot a k et h em a i n p o i n to nt h es y s t e m ，se f f i c i e n c yo fe m i s s i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h i n f i l m c o a t i n gt e c h n o l o g ya n dc h i pp o l i s h i n gt e c h n i q u e ，t h em i r r o rw h o s e r e f l e c t i v i t ye x c e e d 9 9 9 5 i sa l r e a d yi nc o m l n o nu s e ，e v e nt h em i r r o ro f9 9 9 9 9 8 i se m e r g e n c e a t t h e s a l n et i m e t h et r a d i t i o n a lr e f l e c t i v i t ym e a s u r e m e n tc a n n o tr e a c ht h en e e d so ft h eh i g h r e f l e c t i v i t ym e a s u r e m e n t t h u s ，c a v i t yr i n g d o w nm e t h o d ，w h i c hi s b a s e do nt h e d e c a yt i m eo fl i g h tt r a n s m i s s i o ni nt h ec a v i t y , h a sg a i nt h ea p p r o v a lo f u n i v e r s a li st h e m o s ta d v a n c e dm e t h o do fm e a s u r et h er e f l e c t i v i t yo rm e a s u r et h eu l t r a - l o wl o s s e s t h i sp a p e ri sa i m e da tm e a s u r et h er e f l e c t i v i t yo fh i g hr e f l e c t i v i t ym i r r o r si nd f t l i g h p o w e rl a s e r s t h em a i nw o r k i sa sf o l l o w s ： 1 i n v e s t i g a t e di nt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fr e f l e c t i v i t y m e a s u r e m e n t ， c o m p a r e de a c hr e p r e s e n t a t i v em e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a n d s u m m a r i z e dt h eh i s t o r y a n dc u r r e n t l yd e v e l o p m e n to fc a v i t yr i n g d o w nm e t h o d ； 2 s t u d i e dt h et h e o r yo fc a v i t yr i n g d o w nm e t h o d ，d i s c u s s e dt h ei n f u e n c eo f s o m em a i ne n o rf a c t o r st ot h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，s i m u l a t e dt h er e s u l t so f c a v i t yl e n g t hm a l a d j u s t m e n ta n dc a v i t ym i r r o rt i l t ，g a i n e dt h ew a v e f o r mo fe a c h m a l a d j u s t m e n t t os u p p l yr e f e r e n c e st ot h eu n d e r g o i n g o fe x p e r i m e n t ；t h r o u g ht h e s i m u l a t i o n ，w ef o u n dt h a t ：( 1 ) t h ed e t e c t o rw i t hl o n gr e s p o n s et i m ei n f l u e n c et h e r e s u l t r e f l e c t i v i t yl i t t e r ( 2 ) s m a l ld e t e c t o r 印e r t u r er e s p o n s e t ot h e c a v i t y m a l a d ju s t m e n tm o r ea n dc a n u s et oa d j u s tt h ec a v i t yl e n g t h ； 3 d e s i g n e da n de s t a b l i s h e da s e tu po fc a v i t yr i n g - d o w nm e t h o dw i t hp u l s el a s e r w h i c hi sb a s e do nc o n d i t i o no fo u rl a b o r a t o r y , m e a s u r e dt h em i r r o r sr e f l e c t i v i t y o fs t r a i g h tc a v i t ya n df o l d e dc a v i t ya tt h ew a v e l e n g t ho f1 0 6 u r n ，a n a l y z e dt h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t t h ea n a l y s i ss h o wt h a tt h er e f l e c t i v i t yo fs t r a i g h tc a v i t ya n d f o l d e dw i t hm e a s u r i n gr e p e t i t i o ni s 10 q ，s t u d i e do nt h em e a s u r i n ga c c u r a c y , t h e a n a l y s i ss h o wt h a tt h ee r r o ro f r e f l e c t i v i t yi s1 0 。； 4 a n a l y z e dt h ef o r e g r o u n do fc a v i t yr i n g d o w nm e t h o dt od fw a v e l e n g t h ，a n d p u tf o r w a r dt h ep l a n k e yw o r d s ：l a s e r ，c a v i t yr i n g d o w n ，r e f l e c t i v i t y ，s t r a i g h tc a v i t y ，f o l d e dc a v i t y 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图表目录 图1 1 单次反射法原理图1 图1 2 两次反射法原理图2 图1 3 多次反射法原理图3 图1 4 差动型透射率反射率测量仪的光路图。4 图1 5 光电转化部分电路图4 图1 6 两高反镜组成的光学谐振腔6 图1 7 谐振腔的透射谱6 图1 8 损耗比较测量系统的主要结构示意图7 图1 9 时间衰减测量法9 图2 1 光腔衰荡光谱技术原理图1 2 图2 2 用直型衰荡腔长构成的折叠型衰荡腔1 3 图2 3 球面腔镜的稳定性图1 6 图2 4 典型的谐振腔衰荡调制曲线1 6 图2 5 移动探测器位置的衰荡时间和偏差1 7 图2 6 改变光阑孔径的衰荡时间和偏差1 7 图2 7 谐振腔的( a ) 腔长失调和( b ) 腔镜角度失调1 8 图2 8 谐振腔无失调下的衰荡信号波形图2 0 图2 9 光源脉宽不同下的衰荡波形2 l 图2 1 0 不同探测器响应下的衰荡信号波形2 3 图2 1 1 腔长失调时输出光束的光斑半径变化。2 5 图2 1 2 探测器孔径为1 2 m m 时腔长失调下的衰荡波形2 5 图2 1 3 探测器孔径为6 m m 时腔长失调下的衰荡波形2 6 图2 1 4 探测器孔径为l m m 时腔长失调下的衰荡波形2 7 图2 1 5 探测器孔径小于输出光斑半径极大值时腔长微失调下的衰荡波形图2 8 图2 1 6 腔微小失调下衰荡波形的对数曲线。2 9 图2 1 7 不同腔镜角度失调下的扩展衰荡波形和对数变换曲线。3 l 图2 1 8 反射率为9 9 9 的腔镜角度失调1 毫弧度的衰荡波形和对数变换曲线。3 2 图3 1 光腔衰荡技术原理图3 4 图3 2 高斯光束通过望远镜系统的变换3 6 图3 3 直腔腔镜反射率测量实验的光路图3 9 图3 4 折叠腔反射率测量实验的光路图4 0 图3 5 直型腔光腔实验装置4l 图3 6 输出信号的衰荡曲线4 1 图3 7 衰荡信号对数曲线4 2 图3 8 光阑孔径大小不同时的衰荡波形4 2 图3 9 腔长失调下的衰荡波形4 3 图3 1 0 腔镜角度失调下的衰荡波形展宽4 3 图3 1 l 衰荡信号对数曲线4 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 2 折叠腔实验装置图4 6 图3 1 3 衰荡信号对数曲线4 9 表l 不同脉宽下的反射率模拟结果2 2 表2 不同探测器响应特性下的反射率模拟结果2 4 表3 探测器孔径小于输出光斑半径极大值时的反射率模拟结果2 8 表4 反射率值随腔长失调量的变化3 0 表5 腔镜角度微小失调下的反射率模拟结果3 2 表6 探测器主要参数。3 8 表7 一对反射率为9 9 6 的腔镜进行直腔测量所得结果4 4 表8 一对反射率为9 9 9 的腔镜进行直腔测量所得结果4 4 表9 反射率为9 9 6 与为9 9 9 的腔镜进行直腔测量所得结果4 5 表1 0 不同数据段下的反射率拟合结果4 6 表l l 折叠腔插入镜反射率测量结果l 4 7 表1 2 折叠腔插入镜反射率测量结果2 4 7 第1 v 页 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：选廑塞蒸洼拯直丛射窒趔量盐盔 学位论文作者签名： 髓! 整 日期：御年f 2 ，月7 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 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、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：左膣塞蒸洼拯直区盟室型量拉盔 学位论文作者签名：醢蕉日期：矽刁年，月刁日。 作者指导教师签名： 垒l ，盆 日期： 砷年f 月7 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 在高能激光系统中，腔镜、调整镜等反射元件的反射率是一项重要指标，对 激光器输出功率和系统发射效率有很大的影响。随着光学薄膜镀制技术【1 】和基片 抛光技术的进步，反射率超过9 9 9 5 的激光膜片已经常用，反射率达到 9 9 9 9 9 8 的膜片亦见到报导【2 j 。与此同时，以多次反射法为代表的传统反射率检 测方法已无法满足对极高反射率的测量要求，基于光在无源低损谐振腔中衰荡时 间测量原理的光腔衰荡法被提出和发展起来，成为普遍认可的测量极高反射率或 超低光学损耗的最为先进的方法。 1 1 反射率测量的基本方法 反射率测量技术是计量领域中的一个重要研究方向，它有许多具体的测量方 法。如何选择合适的测量方法，必须根据要求的测量精度以及实验室所拥有的条 件来决定。从结构上看，反射率测量系统由光源、测量主体及探测系统组成。从 原理上来看，反射率测量系统可以分为三大类：第1 类是单、多次反射法，其中 多次反射法可以看成是在单次反射法的基础上，利用实验技巧，改进测量主体， 增加待测样品上光束反射次数的测量方法；第2 类是差动型透射率反射率测量 仪：第3 类是基于谐振腔特性的测量方法，这些特性分别是谐振腔的精细程度、 损耗猝灭特性和脉冲能量衰荡特性等。 1 1 1 单、多次反射法 该类测量方法一般需要标准样品辅助测量，从原理上讲，只要测出含待测样 品光路的出射光能流露和不含待测样品光路的出射光能流岛，则待测样品反射 率尺即为日岛的函数。根据检测光束在待测样品上反射的次数，它具体可以分 为单次反射法、二次反射法和多次反射法。 ( 1 ) 单次反射法 单次反射法【3 1 【4 】的原理如图1 1 ，入射光强为 而，放入标准样品时的光强为 ，放入待测样品 时的光强为厶，则测试样品的反射率为： 五 ， b = 兰足 l 绎丞 图1 1 单次反射法原理图 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 其中r 1 为标准样品的反射率。 单次反射法实验装置简单，在许多场合下都能满足测量需要。但由于该测量 方法中标准样品的反射率是相对的，故其对测量精度造成的误差不可忽视，测量 精度低，一般只用于测量精度要求不高的光学实验中。 ( 2 ) 两次反射法 为了消除单次反射法中标准样品对测量精度的影响，可利用两次反射法测量 镜片的反射率【3 1 。两次反射法因其光路形状也称为v - w 法，其原理如图1 2 ： 棒墨 ( a ) 参考光路( b ) 测试光路 图1 2 两次反射法原理图 测量时需要一块辅助反射镜r ，在第一次测量中，输出光仅为该镜的反射 光。设输入光强为i o ，光电接收器接收到的光强为 ，则： = t o 尺， ( 1 1 ) 第二次测量中，加入待测样品，入射光束在样品镜上反射两次，在辅助反射 镜上反射一次然后入射到光电接收器上，光电接收器上接收到的光强为五，则： 厶= 厶r t r 2 ( 1 2 ) 将( 1 1 ) ( 1 - 2 ) 两式相除得到样品的反射率为： r ：量( 1 3 ) 、 由上式计算相对误差为： 吲= 圭降卜l 等i 4 ， 相比于单次反射法，两次反射法消除了参考样品对测量精度的影响。 ( 3 ) 多次反射法 为了进一步提高测量精度，可采用多次反射法 3 1 来测量镜片的反射率。其原 理如图1 3 所示： 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 m lm 2 m 2 m i 图1 3 多次反射法原理图 腔镜m i 、m 2 的反射率分别为尺l 和r 2 ，入射光强为i o ，不加样品镜时出射 光强厶为： = 厶。群d 霹 ( 1 - 5 ) 式中n 为第二面镜上的光斑数。然后把第二镜面转至m l 的一侧，引入反射 率为尺的样品镜，则出射光强2 为： 厶= , t o 群1 趟r 2 ” ( 1 - 6 ) 由( 1 - 5 ) ( 1 6 ) 可得到样品的反射率为： r ：f 量1 加 ( 1 - 7 ) l 相对误差为： 吲= 上2 n i l 堕1 2i i + 去俐 m 8 ， 从( 1 - 8 ) 式看出，相比于两次反射法，多次反射法的测量精度得到进一步 的提高。且光束在镜面上反射次数越多，测量精度就越高。但该方法必须进行光 路1 0 0 校准和插入样品测量两次操作，光路调整难度大。 第1 类测量方法是非常成熟的反射率测量方法，目前市场上有许多基于该类 测量方法的反射率测量仪器。虽然该类测量方法的测量原理简单，测量的反射率 值范围较广，但是测量精度受光源稳定性的影响较大。且由于光电器件探测灵敏 度的限制，用该类方法测量一些反射率高达9 9 6 以上的高反射率薄膜时，加样 品时的光强和不加样品时的光强将相同，达到探测极限。 1 1 2 差动型透射率反射率测量仪 为了消除光源强度起伏对测量结果的影响，可采用差动型透射率反射率测量 仪对反射率进行测量。差动型透射率反射率测量仪采用差动法，与第1 类方法的 原理不同，可以不需要稳定的光强。具体而言就是从主光路中分出一束参考光束， 对入射到待测样品上的测量光束进行归一化，由于参考光强与测量光束的光强具 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 有相同的时间因子，理论上可以消除光源不稳定性带来的影响。 差动型透射率反射率测量仪【5 j 的光路图如图1 4 所示：激光管发出的激光遇 到凸面镜后发散反射，凹面镜会聚接收到的光束，光阑消掉光路中的部分杂散光 并使得到达半透半反镜的光斑尽可能形状固定，透过半透半反镜的光束经过被测 试件后，到达硅光电池d l ，被半透半反镜反射的光束到达硅光电池d 2 。硅光电 池产生一定的光电流。 图1 4 差动型透射率反射率测量仪的光路图 该系统的光电转换部分的电路图如图1 5 所示： d l 图1 5 光电转化部分电路图 硅光电池d l 、d 2 接收到光信号后，分别产生一定的光电流，当光路中未放 测试件时，调节可变电阻箱1 、2 阻值为r i 、r 2 ，可以使得两个光电池的端电压 相互抵消，流经检流计g 的电流为零，则有： 厶墨= 厶r 2 ( 1 - 9 ) 当光路中放置t n 试件时，固定电阻r i ，调节电阻箱尺2 ，使得流经检流计 g 的电流再次为零，此时r 2 变为，电流分别为一、e ，设此时激光管的光强 为初始光强的仅倍，则有： 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 i 墨= e 必 ( 1 - 1 0 ) 如果硅光电池能够很好的满足下式表达的关系： 卜盘r + r s 乞 式中r e 为硅光电池的有效内阻，r 。为半导体块的电阻，通常匙1 q ， 1 0 0 k q 。设测试件的透射率为t ，则对于硅光电池d 1 和d 2 在放测试件前后 分别有： 2 蕊i l l，厶2 砸l 2 ( 1 - 1 2 ) 乞l乞2 石2 盘弘蠢- - 鬲叠- - m 乞l乞2 式中r c l 、r e 2 分别为硅光电池d l 、d 2 的有效内阻，凰l 、如分别为他们半导 体块的电阻，把上两式代入( 1 - 9 ) ( 1 1 0 ) 两式，最后化简可以得到： 1 丁：上生墨( 1 1 4 ) ，。 坞 其中 f = 锴 m 由于尺。，1 q ，r e ，l o o k q ，故( 1 1 5 ) 式可以写成： f：1+堕(1-16) 乞2 通常f 接近1 ，是对墨意堕的微小修正，因此可得： r ：堕 ( 1 1 7 ) 恐 同理可得膜片的反射率公式为： r ：堕 恐 ( 1 1 8 ) 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 其中，彤表示对测试件反射率测量时，使检流计g 的电流再为零的电阻阻 值。根据式( 1 1 8 ) ，可以发现，样品镜的反射率只是插入镜片前后的电阻的比 值，这样就消除了许多其他干扰因素的影响( 如：半透半反镜的透射率和反射率 的不同；主光路和参考光路的损耗不同等) 。相比于单、多次反射法，差动型透 射率反射率测量仪采用“差动法消除了光源稳定性对测量精度的影响，测量精 度得到了进一步的提高。但由于受光电转化部分电路的灵敏性的限制，差动型透 射率反射率测量仪的测量精度一般只有万分之几。 1 1 3 基于谐振腔的测量方法 为了进一步提高测量精度，一系列基于谐振腔的反射率测量技术得到了广泛 的应用。根据谐振腔的特性参数一一精细度参数、损耗淬灭特性和脉冲能量衰荡 特性等，可将这类反射率测量技术分为腔内脉冲能量衰荡法、谐振腔损耗比较法 以及利用谐振腔精细度的测量方法。 1 、利用光学谐振腔精细度的测量方法【6 】 r it l r 2t 2 阿t 1 0 f么 i t 图1 6 两高反镜组成的光学谐振腔图1 7 谐振腔的透射谱 利用两个反射率分别为r l 和r 2 ，透射率分别为t l 和t 2 的两反膜镜片组成 一稳定的光学谐振腔( 如图1 6 ) 。设入射激光光强为o ，则透射光强为： t ： 一：墨堑 1 ( 1 1 9 ) ( 1 瓜) 2 + 4 瓜s i n z 害 “ 6 为透射光与入射光的相位差。 由半值宽度定义：4 4 一：l 2 时，万：2 k 7 c + 竽，则透射谱线的精细度为： f ：一2 1 ：逛 ( 1 - 2 0 ) 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 故： 瓜= ( v 1 4 f 2 + x 2 - 7 ：1 2 ( 1 2 1 ) 只要测出透射谱线的精细度r 即可利用上式求出两个反射镜的反射率乘积。 测量精细度几可利用固定在谐振腔腔镜上的压电陶瓷加上锯齿波电压来调 控腔长，在输出镜后用光电二极管接收，在示波器上观察测量透射谱的精细度f ( 如图1 7 ) 。图中f s r 为自由光谱区，f w h m 为峰值半宽度，精细度 f c p ，= 二f w 竺h m 。利用三片镜片一次组成三个谐振腔则可以相应得求出r l 、r 2 、r 3 。 用此方法测量f 时需要特别注意的是激光束与谐振腔的空间模式匹配，激光 束与谐振腔的本征模式匹配越好，测量结果越准确。 2 、谐振腔损耗比较测量法 图1 8 为损耗比较测量系统【7 j 的主要结构示意图。 刊锵1 三三警乡刚：并酱 l；3 5 7 i 。i o 1 1 1 3 1 3 图1 8 损耗比较测量系统的主要结构示意图 1 、调腔光源；2 、可移动光屏；3 、透镜；4 、叉丝；5 、凹面镜；6 、待测镜；7 、h e - n e 放 电管；8 、平行平板双旋转窗；9 、平面输出镜；1 0 、探测器；1 1 、放大器；1 2 、数字表；1 3 、 计算机 如图1 8 ( a ) 和图1 8 ( b ) 所示，该实验采用两个激活腔( 主动腔) 的损耗 比较测量平面样品的高反射率。当折叠腔的最佳位置调好后，测出此时的输出强 度所，立即移开待测镜6 变为直腔激光器，调节凹镜5 使直腔处于最佳状态( 其余 公用元件不需再调节) ，记其输出值为圪( 以上两步元件8 均位于布儒斯特角) 。 显然圪 所，其差值理论上应等于待测镜反射不完全引起的那部分能量损失。旋 转玻片8 ，减少现在已变强了的输出能量圪直到与折腔输出值n 相等。记下此刻 的旋转角度4 日，利用菲涅耳公式可表示出旋转窗片反射损耗三与入射角口 ( o = o a 翊p ) 的必然关系。由此定出的损耗与图1 8 ( a ) 中待测镜b 呈现出的总 损耗严格对应，它包含待测镜的透射、吸收和散射损耗。这样即可算出试镜b 的 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 反射率。即是说，此装置是利用两外腔激光器作损耗比较测量，将待测镜置于其 中一腔作元件。用直腔中p 偏振光在布儒斯特角下入射到旋转窗片8 上的全透性去 表现不存在待测镜的情形，用p 偏振光偏离布儒斯特角入射时窗片8 的反射损耗去 表现折腔中待测镜的总损耗。 由菲涅耳公式可导出旋转平板玻片上p 偏振光的反射损耗与入射角的关系【8 】 ( 一个界面) ： 扛糍n cos一4n m 2 2 ， l = 声= = = = = = = = = i - 2 j 2 】 ( 2 秒+ 2 一s i n 2 秒) 2 式中，a 为p 偏振光对旋转窗界面的入射角，n 为玻片4 的折射率( 石英 n = 1 4 5 7 ) 。考虑到窗片4 共有四个界面，经换算可得待测镜6 的反射率为 r = ( 1 一) 4 ( 1 2 3 ) 又因凹镜5 瘌5 反射率实际存在差别，将( 1 2 3 ) 式修正为 r = ( 1 - l r ) ( 1 - l ) 4 ( 1 - 2 4 ) 式中，厶由8 0 = 铅划岛按( 1 - 2 2 ) 式算出，彳吼是因r s c r s a 而存在的装置修正 角。 若只用单窗，则 r = ( 1 一l ) ( 1 一) 】2 ( 1 - 2 5 ) 损耗比较测量系统具有下列优点： a 、两个激活腔的输出用同一探测器测量，不用进行匹配调试； b 、两个比较外腔激光器的绝大部分组件相同，测量过程中无需调节公用元 件和移动探测器，能保证测量值具有很好的重复性； c 、由于试件测量角度可调范围大，宜作激光陀螺腔镜反射率测量。 3 、腔内脉冲能量衰荡法 9 1 这类方法的光源是单脉冲激光，其测量原理是通过测量单脉冲光辐射在谐振 腔中的衰荡时间，求出谐振腔的总损耗，进而得到其腔镜的反射率。根据测量装 置和由实验测量值求解腔镜反射率的公式得差异，具体可以分为以下两种方法： ( 1 ) 采用环形腔的时间衰减法( 如图1 9 ) 。若谐振腔由n 个镜片构成，r ， 和a ，为第f 个镜片的反射率和损耗，则总反射率为： r = 兀r = n p q = e x p ( 一q ) = p 筇 ( 1 2 6 ) 若待测镜片的反射率均为未知，可在n + 1 个镜子中，进行时1 次组合，每 次选用不同的n 个，并测得相应得r ，便可求出各个镜子的反射率。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 单脉冲激光器电光开关 环形谐振腔探测器 图1 9 时间衰减测量法 ( 2 ) 采用直腔和折叠腔的光腔衰荡法，其具体原理见2 1 节。 时间衰减法和光腔衰荡法都是对通过腔内指数型衰荡信号的检测来获得反 射率，摆脱了激光能量输出起伏带来的误差。提高了测量精度，其测量精度一般 为1 0 6 。 第3 类方法从理论上消除了光源强度起伏对测量结果的影响1 9 。其提高精度 的途径转变为减小其它因素( 不包括待测样品和腔镜的反射率) 对谐振腔特性的 影响。其中谐振腔损耗比较法有利于测量样品的偏振特性，其误差来源于旋转窗 片在不同角度时的吸收、散射损耗之差和测角装置引入的误差；由于该方法是在 谐振腔内进行调节，所以调节难度相对较大。对于利用腔精细度法测量高反射率， 测量的样品反射率角度有限，只适合于检测零度的反射率镜片，其次待测样品的 非球面误差将导致光束在腔内振荡时产生附加像差，造成谐振腔的本征模式与入 射模式不匹配，从而改变透射谱线精细度并影响测量精度；另外由于激光器输出 腰斑的漂移，造成了注入腔的模式耦合不匹配，从而改变了透射谱线的精细度， 影响该方法的测量精度。 在第3 类方法中，光腔衰荡法具有许多优点。与时间衰减法相比，由于它采 用折叠腔，使测量过程相对简单，调节较方便；与利用腔精细度的测量法相比， 它可以对镜片任意角度的反射率进行测量，且它还可以利用低精度的反射率标定 出高精度的反射率。所以在高反射率测量中，光腔衰荡法具有广阔的应用前景。 1 2 光腔衰荡技术的历史与现状 光腔衰荡技术是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种高灵敏测量技术，最初用于镜片 的反射率测量，经过近二十多年的发展，该技术逐渐趋于成熟，现在还被广泛运 用于原子、分子、团簇的吸收光谱测量。相比其它反射率测量技术或光谱测量技 术，其优点是不受光源光强起伏的影响，测量精度高。 19 8 0 年，m h e r b e l i n 等人提出腔衰减相移技术【l o j ( c a v i t ya t t e n u a t e dp h a s e s h i f t ，简称c a p s ) 来测量镜片的反射率。该方法使用连续激光，通过测量输入、 输出光的相位偏移量来确定光在谐振腔内的衰荡时间百。考虑到光子数量的衰减 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 是由反射镜的吸收、散射、透射以及腔内介质的吸收等损耗引起的，得到镜片在 6 3 2 8 n m 处的反射率为9 9 8 7 ，测量精度达到l o 珥。 1 9 8 4 年，a n d e r s o n 等人在c a p s 的基础上提出光腔衰荡光谱技术【l l j ( c a v i t y r i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ，简称c r d s ) 。与m h e r b e l i n 等人不同，a n d e r s o n 等人 使用电光开关对连续激光进行斩波，直接测量光在谐振腔中的衰荡时间t ，得到 极高反射率镜片在5 1 4 5 n m 处的反射率为9 9 9 8 2 ，测量精度达到5 x l o 一。 1 9 8 8 年，美国o k e e f e 和d e a c o n 运用脉冲光激发腔【l2 。，大大简化了实验装 置。与a n d e r s o n 等人的实验装置相比，该方法不使用电光开关和阈值触发，光 在谐振腔内的强度衰减不再是连续的。它通过对指数型腔内衰荡信号的检测，摆 脱了激光能量输出起伏引起的误差，因此大大提高了测量精度，得到氧分子的吸 收灵敏度达到1 0 击。自此，c r d s 技术获得了迅速的发展和应用。 1 9 9 2 年，加利福尼亚理工学院研制出用光腔衰荡法测量极高反射率的测量 仪【2 j 。激光器发射的激光经透镜转换在谐振腔内振荡，衰荡信号经透镜聚焦后由 光电倍增管接收，其衰荡信号可直接在示波器上显示出来。测得入射光在谐振腔 中的衰荡时间为8 2 岫，由此推得总损耗为1 6 1 0 击，反射镜的反射率为 9 9 9 9 9 8 4 。 1 9 9 5 年，p i o t rz a l i c k i 和r i c h a r dn z a r e 分析了脉宽、腔长选择和腔内吸收 与腔内干涉的关系【1 3 1 。当脉冲宽度大于脉冲在腔内往返一周的时间时，腔内脉 冲将发生法布里一珀罗干涉，腔内纵模增加，为避免腔内干涉脉冲宽度应小于脉 冲在腔内往返一周的时间。 1 9 9 7 年，r o m a n i n id 和k a c h a n o va a 等用经过斩波后的连续光【1 4 j 作为入射 光入射到谐振腔中，得到高灵敏n 0 2 的吸收光谱。自此，光腔衰荡技术在国外 已趋于成熟，现多用于对气体吸收光谱【1 5 舶1 和气体痕量【1 9 1 的测量。 在光腔衰荡法反射率测量技术的研究上，国内虽然起步较晚，但中科院大连 化物所、中科院安徽光学精密机械研究所、中科院成都光电所、国防科学技术大 学2 0 8 教研室等都先后建立了光腔衰荡装置，并成功测量了中心波长在5 3 2 n m 、 6 3 2 8 n m 、1 3 1 5 n m 等的腔镜的反射率。中科院成都光电所目前已经建立了中心波 长在3 8 p m 的反射率测量装置，并开展了一定的实验。 1 9 9 7 年，中科院大连化物所孙福革等人建立了光腔衰荡装置 2 0 j ，光源采用 准分子泵浦的染料激光器输出脉冲，经过空间滤波器后进入衰荡光腔，测得腔镜 在中心波长的反射率为9 9 9 8 ，并测量了腔镜反射率随激光波长的变化曲线， 表明腔镜的反射率随着波长远离中心波长而逐渐降低。并将直型和折叠衰荡腔结 合，测定了4 5 。激光耦合镜的反射率曲线。 1 9 9 9 年，国内中科院武汉物理与数学研究所和安徽光学精密机械研究所赵 宏太等人测量了q u a n t a r a yn d ：y a g 激光器的二倍频输出在两块反射镜构成的 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 共焦腔中的衰荡时间【2 l 】，计算出中心波长在5 5 3 5 n m 的高反膜对5 3 2 n m 的反射 率为9 9 9 3 0 0 3 ；2 0 0 0 年，用四腔镜轮换的方法测量了中心波长为6 3 2 8 n m 的 四个腔镜的反射率。 2 0 0 4 年- 2 0 0 6 年，易亨瑜等人用数值模拟的方法分析了谐振腔中腔长失调和 腔角度失调【2 2 。2 5 1 以及探测器孔径大小和响应特性 2 6 - 2 7 1 对光腔衰荡法测量精度的 影响，对实验的开展具有非常重要的指导意义。 2 0 0 5 年，国防科学技术大学张雪飞等人用斩波的h e n e 光测量了环行腔腔 镜的总损耗 2 9 1 ，得到的损耗约为7 5 0 p p m 。 2 0 0 5 年2 月，中科院成都光电所孙宏波等人用脉冲激光泵浦光参量振荡器 s u r e l i t e o p o 输出的可调谐的脉冲激光，测量了直腔和9 0 0 折叠腔腔镜的反射率 【2 s 】，并分析了探测器位置和衰荡光腔前光阑孔径对衰荡曲线的影响。同年，高 丽峰等人又测量了4 5 0 折叠腔【3 l j 腔镜的反射率，得到反射率测量偏差为lx l o ， 测试结果有很高的重复性。次年，龚元等人用连续半导体激光器作为光源，采用 锁相技术【3 2 1 1 3 3 】记录了光腔输出信号一次谐波的振幅和相位，并由振幅和相位随 调制频率的变化曲线拟合出了衰荡时间，最终确定腔镜的反射率为9 9 7 1 ，误 差小于0 0 1 。 2 0 0 6 年，国防科学技术大学谭中奇等人就入射光关断时间【3 4 】对反射率测量 结果的影响进行了数值模拟，模拟结果表明：关断时间小于腔衰荡时间的1 时 给测量结果带来的误差可基本不计。并用半导体激光器为光源对腔损耗约为 5 0 p p m 的无源腔进行了测量，得到腔损耗测量误差约为0 1 5 p p m 。次年，谭中奇 等人又研究了模式失配对测量结果的影响 3 5 j ，研究表明：在不同的模式失配情 况下，出射光功率衰减信号仍呈单指数衰减，只是腔出射光功率大小发生变化， 引起了探测器获得的信号信噪比变化，对腔损耗的测量影响不大。 1 3 本文的主要工作 着眼于建立氟化氘激光波段镜片极高反射率的准确测量装置，本文对光腔衰 荡法极高反射率测量技术进行了研究。第一章对反射率测量技术的发展进行了调 研，对具有代表性的测量方法进行了比较，对光腔衰荡技术的历史与现状作了综 述。第二章介绍了光腔衰荡法测量反射率的原理，讨论了一些主要误差因素对测 量精度的影响，对光源脉冲宽度、探测器响应时间、接收孔径、谐振腔失调等对 衰荡波形的影响进行了数值模拟研究。第三章在实验室现有条件基础上，设计并 建立了一套脉冲光腔衰荡法测量装置，使用直腔和折叠腔对镜片在1 0 6 i t m 波长 的反射率进行了测量，对实验结果进行了分析。第四章对全文进行了总结，对光 腔衰荡法运用于氟化氘波段进行了探讨与分析，就下一步工作提出了建议。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章光腔衰荡法原理与数值模拟 光腔衰荡法是一种精确测量反射镜极高反射率的技术。它通过测量激光在无 源谐振腔中的衰荡时间，求出谐振腔的总损耗，进而得到腔镜或插入镜片( 采用 折叠腔) 的反射率。本章首先介绍光腔衰荡法测量反射率的原理，然后对几种主 要误差因素进行分析，最后根据基模高斯光束的空间传播规律，采用失调光腔矩 阵方法，就光源脉冲宽度、探测器响应时间、接收孔径、谐振腔失调等对衰荡波 形的影响进行了数值模拟研究。 2 1 光腔衰荡法反射率测量技术的原理 光腔衰荡法测量原理【3 】如图2 1 所示。高反射率镜片m i 和m 2 构成一个光学 谐振腔，一束脉冲激光( 或斩波的连续光) 经模式匹配系统调整后沿光轴入射到 谐振腔内，忽略衍射及散射损耗，单色脉冲光在两个腔镜之间往返振荡，每经过 一次循环透射出部分光，m 2 后面的探测器接收光脉冲信号并考察其衰减规律。 为了避免相邻两次循环的输出光强产生叠加，腔长与激光脉冲宽度应当匹配。设 腔镜m l 、m 2 的反射率分别为r l 和尺2 ，而为第一次透射出腔外的脉冲峰值光强， 根据b e e r 定律，谐振腔第，+ 1 次( ， o ) 透出脉冲峰值光强为： = 争- ( r , r 2 ) je x p ( 2 弦三) 五= 厶e x p - j 2 a l - i n ( r , r 2 ) ) ( 2 1 ) 2 式中：三为腔长，仅为腔内介质吸收系数，恐为输出镜m 2 的透射率。 设激光脉冲第一次透射出腔外的峰值时刻为0 时刻，则在t j 时刻，光束在腔 内的循环次数= r ，1 ( 2 z , c 。1 ) ，从而 叱) = 枷p 愕( 口l 乩瓜) o ( 2 - 2 ) 即透射脉冲激光光强峰值以单指数形式衰减，透射光强的包络线是一条指数 形式的衰减曲线，其特性与谐振腔有关。 图2 1 光腔衰荡光谱技术原理图 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 衰荡寿命r o 定义为出射脉冲光强包络线的光强衰减为初始光强的l 居时经历 的时间，t 时刻的光强，( f ) 与l o 有， ，( ，) = i o e x p ( - t r o ) ( 2 3 ) 比较( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式，得到直型衰荡光腔1 ：o 与腔镜反射率的关系为： 铲面南 q 舢 若谐振腔内吸收损耗很小，可以忽略，即a = 0 ，所用腔镜为相同条件统一镀 制的一对高反射镜，则两腔镜反射率相等，反射率为： r = 蜀恐= e x p ( 一纠c f o ) ( 2 - 5 ) 将待测反射镜镜片置于折腔