本發(fā)明涉及測(cè)量反射光學(xué)元件/透射光學(xué)元件的反射率/透過(guò)率的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于光學(xué)元件反射率/透過(guò)率測(cè)量的綜合測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

高反射光學(xué)元件和高透射光學(xué)元件廣泛使用于高功率激光系統(tǒng)、引力波探測(cè)、激光陀螺等技術(shù)領(lǐng)域。精確測(cè)量高反射光學(xué)元件的反射率/透過(guò)率和高透射光學(xué)元件的透過(guò)率/剩余反射率變得尤為重要。

高反射光學(xué)元件反射率測(cè)量主要基于光腔衰蕩技術(shù)(李斌成，龔元；光腔衰蕩高反射率測(cè)量綜述，《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》，2010,47:021203)。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?8114152.8的發(fā)明專(zhuān)利“一種反鏡高反射率的測(cè)量方法”，采用脈沖光腔衰蕩技術(shù)實(shí)現(xiàn)高反射率的測(cè)量。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00610011254.9的發(fā)明專(zhuān)利“一種高反鏡反射率的測(cè)量方法”、中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00610165082.0的發(fā)明專(zhuān)利“高反鏡反射率的測(cè)量方法”、中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710098755.X的發(fā)明專(zhuān)利“基于半導(dǎo)體自混合效應(yīng)的高反射率測(cè)量方法”、中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00810102778.8的發(fā)明專(zhuān)利“基于頻率選擇性光反饋光腔衰蕩技術(shù)的高反射率測(cè)量方法”、中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00810055635.4的發(fā)明專(zhuān)利“一種用于測(cè)量高反射率的裝置”均使用連續(xù)光腔衰蕩技術(shù)測(cè)量高反射率。高透射光學(xué)元件透過(guò)率測(cè)量同樣可以采用光腔衰蕩技術(shù)。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01010295724.5的發(fā)明專(zhuān)利“一種光學(xué)元件的透射損耗測(cè)量方法”使用連續(xù)光腔衰蕩技術(shù)測(cè)量高透射光學(xué)元件的透過(guò)率。光腔衰蕩技術(shù)解決了高反射光學(xué)元件反射率測(cè)量和高透射光學(xué)元件透過(guò)率的測(cè)量問(wèn)題，測(cè)量范圍為99％～99.9999％甚至更高。當(dāng)待測(cè)光學(xué)元件反射率/透過(guò)率大于99.99％時(shí)，測(cè)量精度優(yōu)于1ppm。光腔衰蕩技術(shù)測(cè)量反射率/透過(guò)率的缺點(diǎn)是其只能測(cè)量99％以上的反射率/透過(guò)率。

對(duì)低于99％的反射率/透過(guò)率的測(cè)量則仍然采用分光光度技術(shù)。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01210524943.5的發(fā)明專(zhuān)利“一種光學(xué)元件透過(guò)率的測(cè)量方法及裝置”、中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01310013193.X的發(fā)明專(zhuān)利“一種光刻機(jī)中照明系統(tǒng)各光學(xué)組件透過(guò)率的測(cè)量裝置及測(cè)量方法”通過(guò)分光光度法將特定波長(zhǎng)的激光光束進(jìn)行分束，得到兩束光分別通過(guò)參考光路和測(cè)試光路來(lái)測(cè)量光學(xué)元件的透過(guò)率。分光光度技術(shù)測(cè)量反射率/透過(guò)率的缺點(diǎn)是其測(cè)量精度受光源強(qiáng)度波動(dòng)的影響，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量高于99.7％的反射率/透過(guò)率。

中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01310631614.5“一種基于脈沖激光光源的反射率綜合測(cè)量方法”通過(guò)結(jié)合分光光度和光腔衰蕩技術(shù)測(cè)量光學(xué)元件反射率/透過(guò)率，克服了分光光度技術(shù)和光腔衰蕩技術(shù)單獨(dú)測(cè)量各自的缺點(diǎn)，但是無(wú)測(cè)量高反射光學(xué)元件透過(guò)率和高透射光學(xué)元件反射率的功能，并且在采用光腔衰蕩技術(shù)測(cè)量高反射光學(xué)元件和高透射光學(xué)元件時(shí)需要移動(dòng)探測(cè)器，使用不方便；同時(shí)在光腔衰蕩測(cè)量時(shí)使用的直型光學(xué)諧振耦合效率低，給測(cè)量帶來(lái)不便；而在分光光度測(cè)量時(shí)探測(cè)光束經(jīng)過(guò)其中一個(gè)腔鏡導(dǎo)致光強(qiáng)大大衰減，降低了測(cè)量范圍和精度。因此發(fā)展一種測(cè)量光學(xué)元件反射率/透過(guò)率，特別是高反射光學(xué)元件的反射率/剩余透過(guò)率和高透射光學(xué)元件的透過(guò)率/剩余反射率測(cè)量的綜合測(cè)量裝置十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：將基于光腔衰蕩技術(shù)的高反射率/透過(guò)率測(cè)量裝置和基于分光光度技術(shù)的反射率/透射率測(cè)量裝置集成于一個(gè)裝置中，采用同一個(gè)激光光源，實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件任意反射率/透過(guò)率的準(zhǔn)確測(cè)量。

其特征如下：

(1)光源1發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)平面反射鏡2和偏振片3后，由平面鏡4分束成兩束激光；其中一束激光經(jīng)平面鏡4透射耦合到初始光學(xué)諧振腔中，所述初始光學(xué)諧振腔由平面鏡4和兩塊相同的平凹高反射鏡5和6構(gòu)成折疊腔，腔長(zhǎng)為L(zhǎng)₀；激光束從平面鏡4注入光學(xué)諧振腔，由平凹高反射鏡5即平凹高反射輸出腔鏡輸出，輸出的光腔衰蕩信號(hào)經(jīng)聚焦透鏡7聚焦后由光電探測(cè)器8測(cè)量，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17存儲(chǔ)和處理，將測(cè)得的光腔衰蕩信號(hào)按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合得到初始光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₀；在初始光學(xué)諧振腔內(nèi)根據(jù)使用角度加入待測(cè)高反測(cè)試光學(xué)元件9(反射率大于99％)，并相應(yīng)地移動(dòng)平凹高反射鏡6構(gòu)成測(cè)試光學(xué)諧振腔，測(cè)試腔腔長(zhǎng)與初始腔腔長(zhǎng)一致，將測(cè)得的測(cè)試光學(xué)諧振腔光腔衰蕩信號(hào)按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合得到測(cè)試光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₁，經(jīng)計(jì)算得到待測(cè)光學(xué)元件反射率R＝L₀(1/cτ₀-1/cτ₁)，c為光速。

(2)按(1)所述測(cè)量光腔衰蕩信號(hào)并按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合得到初始光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₀之后，在(1)所述初始光學(xué)諧振腔中根據(jù)使用角度插入待測(cè)高透光學(xué)元件(透射率大于99％)構(gòu)成測(cè)試光學(xué)諧振腔；將測(cè)得的測(cè)試光學(xué)諧振腔光腔衰蕩信號(hào)按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合得到測(cè)試光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₁，經(jīng)計(jì)算得到待測(cè)高透光學(xué)元件的透過(guò)率其中n_s為待測(cè)光學(xué)元件折射率，d為待測(cè)光學(xué)元件厚度。

(3)經(jīng)平面鏡4反射的另一束激光束進(jìn)入分光光度法測(cè)量光路部分，由平面或凹面反射鏡10、偏振片11、小孔光闌12、聚焦透鏡14和光電探測(cè)器15組成。首先在未插入測(cè)試光學(xué)元件時(shí)，當(dāng)反射測(cè)試光學(xué)元件13的反射率小于99％但大于1％時(shí)，光束經(jīng)反射鏡10，偏振片11，小孔光闌12和透鏡14(未加入測(cè)試光學(xué)元件13)聚焦到光電探測(cè)器15上，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17處理及存儲(chǔ)，測(cè)得參考信號(hào)電壓幅度為P₀；在樣品位置處根據(jù)使用角度加入待測(cè)反射測(cè)試光學(xué)元件13，并將透鏡14和光電探測(cè)器15移動(dòng)到相應(yīng)位置，經(jīng)測(cè)試光學(xué)元件13反射的光束經(jīng)過(guò)透鏡14聚焦到光電探測(cè)器15上，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17處理及存儲(chǔ)，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；反射測(cè)試光學(xué)元件13的反射率為

當(dāng)反射測(cè)試光學(xué)元件13的反射率小于％1時(shí)，在樣品位置處先加入已知反射率的參考光學(xué)元件，測(cè)得參考信號(hào)電壓幅度為P₀；加入待測(cè)光學(xué)元件后，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；已知參考光學(xué)元件的反射率為R₀,則測(cè)試光學(xué)元件的反射率為

(4)當(dāng)透射測(cè)試光學(xué)元件13的透過(guò)率小于99％但大于1％，按(3)所述未加光學(xué)元件測(cè)得參考信號(hào)電壓幅度P₀后，在樣品位置處根據(jù)使用角度插入透射測(cè)試光學(xué)元件13，經(jīng)過(guò)測(cè)試光學(xué)元件13的透射光經(jīng)過(guò)透鏡14聚焦到光電探測(cè)器15上，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17處理及存儲(chǔ)，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；透射測(cè)試光學(xué)元件的透過(guò)率為

當(dāng)透射測(cè)試光學(xué)元件13的透過(guò)率小于1％時(shí)，在樣品位置處先加入已知透過(guò)率的參考光學(xué)元件，測(cè)得參考信號(hào)電壓幅度為P₀；加入待測(cè)光學(xué)元件后，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；已知參考光學(xué)元件的透過(guò)率為T(mén)₀,則測(cè)試光學(xué)元件的透過(guò)率為

其中，所述的激光輸出光束為T(mén)EM₀₀模光束。

其中，所述的組成初始光學(xué)諧振腔和測(cè)試光學(xué)諧振腔的兩塊平凹高反射鏡和平面鏡4的反射率均大于99％。

其中，所述的初始光學(xué)諧振腔和測(cè)試光學(xué)諧振腔均為穩(wěn)定腔，初始光學(xué)諧振腔和測(cè)試光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)L₀滿足0<L₀≤2r，其中r為平凹高反射鏡凹面的曲率半徑。

其中，所述的偏振片3和11的偏振方向根據(jù)測(cè)試要求調(diào)節(jié)，可以是s偏振光或p偏振光輸出。

其中，所述的小孔光闌12用于消除光路中的雜散光，應(yīng)盡量靠近測(cè)試光學(xué)元件，光闌口徑應(yīng)小于被測(cè)光學(xué)元件測(cè)試面口徑1mm以上。

其中，所述的光源1可采用光強(qiáng)可調(diào)制的連續(xù)半導(dǎo)體激光器，此時(shí)函數(shù)發(fā)生卡18與計(jì)算機(jī)17相連，計(jì)算機(jī)17控制函數(shù)發(fā)生卡18的調(diào)制頻率、調(diào)制振幅以及偏置電壓，函數(shù)發(fā)生卡18輸出的方波函數(shù)用于調(diào)制光源1所采用的半導(dǎo)體激光器激勵(lì)電壓；光源1也可以采用脈沖激光器，此時(shí)不需要函數(shù)發(fā)生卡18調(diào)制光源1，光源1直接輸出激光脈沖。

其中，所述的已知反射率/透過(guò)率參考光學(xué)元件的反射率/透過(guò)率需提前標(biāo)定。

其中，所述的透鏡14和光電探測(cè)器15安裝在同一光學(xué)調(diào)節(jié)架上，方便同時(shí)移動(dòng)。

其中，所述的測(cè)量低反射率/透過(guò)率的反射/透過(guò)光學(xué)元件所需的已知反射率/透過(guò)率參考光學(xué)元件的反射率/透過(guò)率范圍一般在0.01％-1％。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：該裝置采用同一激光光源測(cè)量光學(xué)元件反射率/透過(guò)率，保證了同一元件反射率/透過(guò)率的測(cè)量波長(zhǎng)完全一致；采用分立的光腔衰蕩構(gòu)型和分光光度構(gòu)型，反射率/透過(guò)率測(cè)量的切換更加方便；一個(gè)測(cè)量裝置就能實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件任意反射率/透過(guò)率的準(zhǔn)確測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1中：1為連續(xù)半導(dǎo)體激光光源；2為平面反射鏡；3和11為偏振片；4為平面高反鏡；5和6為平凹高反射鏡；7和14為聚焦透鏡；8和15為光電探測(cè)器；10為平面或凹面反射鏡；12為小孔光闌；16為數(shù)據(jù)采集卡；17為計(jì)算機(jī)；18為函數(shù)發(fā)生卡；9和13為待測(cè)光學(xué)元件；圖中的粗線為光路，細(xì)線為連接線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1具體描述本發(fā)明提出的一種用于光學(xué)元件反射率/透過(guò)率測(cè)量的綜合測(cè)量裝置。

(1)高反射光學(xué)元件(反射率大于99％)反射率的測(cè)量：光源1發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)平面反射鏡2和偏振片3，利用平面鏡4分束成兩束激光；其中一束激光經(jīng)平面鏡4透射耦合到初始光學(xué)諧振腔中，所述初始光學(xué)諧振腔由平面鏡4和兩塊相同的平凹高反射鏡5和6構(gòu)成折疊腔，腔長(zhǎng)為L(zhǎng)₀,探測(cè)光束從平面鏡4注入光學(xué)諧振腔，由平凹高反射鏡5即平凹高反射輸出腔鏡輸出，輸出的光腔衰蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)聚焦透鏡7聚焦后由光電探測(cè)器8測(cè)量，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17處理及存儲(chǔ)，將測(cè)得的光腔衰蕩信號(hào)按單指數(shù)衰減函數(shù)(A₀₁，A₀₂為常系數(shù)，t為時(shí)間)擬合得到初始光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₀；在初始光學(xué)諧振腔內(nèi)根據(jù)使用角度加入待測(cè)高反射測(cè)試光學(xué)元件9，并相應(yīng)地移動(dòng)平凹高反射鏡6構(gòu)成測(cè)試光學(xué)諧振腔，如圖1中虛線所示，測(cè)試腔腔長(zhǎng)與初始腔腔長(zhǎng)一致，將測(cè)得的測(cè)試光學(xué)諧振腔光腔衰蕩信號(hào)按單指數(shù)衰減函數(shù)(A₁₁，A₁₂為常系數(shù)，t為時(shí)間)擬合得到測(cè)試光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₁，經(jīng)計(jì)算得到待測(cè)光學(xué)元件反射率R＝L₀(1/cτ₀-1/cτ₁)，其中L₀為初始和測(cè)試光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)，c為光速。

(2)高透射光學(xué)元件(透過(guò)率大于99％)透過(guò)率的測(cè)量：在(1)中的高反射光學(xué)元件反射率測(cè)量步驟得到初始光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₀之后，在初始光學(xué)諧振腔中根據(jù)使用角度插入待測(cè)透射光學(xué)元件9構(gòu)成測(cè)試光學(xué)諧振腔，將測(cè)得的光腔衰蕩信號(hào)按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合得到測(cè)試光學(xué)諧振腔衰蕩時(shí)間τ₁，經(jīng)計(jì)算得到待測(cè)光學(xué)元件的透過(guò)率其中n_s為待測(cè)光學(xué)元件折射率，d為待測(cè)光學(xué)元件厚度。

(3)一般反射光學(xué)元件(反射率大于1％但小于99％)反射率的測(cè)量：經(jīng)平面鏡4反射的另一束激光進(jìn)入分光光度法測(cè)量裝置部分，激光經(jīng)平面或凹面反射鏡10，偏振片11，小孔光闌12和透鏡14(未加入測(cè)試光學(xué)元件13)聚焦到光電探測(cè)器15上，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17處理及存儲(chǔ)，測(cè)得參考信號(hào)電壓幅度為P₀；在樣品位置處根據(jù)使用角度加入待測(cè)光學(xué)元件13，并將透鏡14和光電探測(cè)器15移動(dòng)到相應(yīng)位置，經(jīng)測(cè)試光學(xué)元件13反射的光束經(jīng)過(guò)透鏡14聚焦到光電探測(cè)器15上，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17處理及存儲(chǔ)，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；反射測(cè)試光學(xué)元件的反射率為

(4)一般透射元件(透過(guò)率大于1％但小于99％)透過(guò)率的測(cè)量：按(3)中的測(cè)量步驟得到參考信號(hào)電壓幅度P₀后，在樣品位置處根據(jù)使用角度插入透射測(cè)試光學(xué)元件13，經(jīng)過(guò)測(cè)試光學(xué)元件13的透射光經(jīng)過(guò)透鏡14聚焦到光電探測(cè)器15上，數(shù)據(jù)采集卡16記錄并輸入計(jì)算機(jī)17處理及存儲(chǔ)，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；透射測(cè)試光學(xué)元件的透過(guò)率為

(5)低反射光學(xué)元件(反射率小于1％)反射率的測(cè)量：在樣品位置處先加入已知反射率的參考光學(xué)元件，測(cè)得參考信號(hào)電壓幅度為P₀；加入待測(cè)光學(xué)元件后，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；已知參考光學(xué)元件的反射率為R₀,則測(cè)試光學(xué)元件的反射率為

(6)低透射光學(xué)元件(透過(guò)率小于1％)透過(guò)率的測(cè)量：在樣品位置處先加入已知透過(guò)率的參考光學(xué)元件，測(cè)得參考信號(hào)電壓幅度為P₀；加入待測(cè)光學(xué)元件后，測(cè)得測(cè)試信號(hào)電壓幅度為P₁；已知參考光學(xué)元件的透過(guò)率為T(mén)₀,則測(cè)試光學(xué)元件的透過(guò)率為

總之，本發(fā)明提出了一種用于光學(xué)元件任意反射率/透過(guò)率測(cè)量的綜合測(cè)量裝置。本發(fā)明克服了基于光腔衰蕩技術(shù)的反射率/透過(guò)率測(cè)量裝置不能測(cè)量低于99％的反射率/透過(guò)率和基于分光光度技術(shù)的透過(guò)率/透過(guò)率測(cè)量裝置不能準(zhǔn)確測(cè)量高于99.7％的反射率/透過(guò)率的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件任意反射率/透過(guò)率的準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)具有更廣的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍和更高的測(cè)量精度。