光學材料損耗的測量裝置和測量方法
【專利摘要】一種光學材料損耗的測量裝置和測量方法，本發(fā)明通過測量僅厚度不同的樣品組在同一入射角下的透過率差異來去除表面損耗的影響，從而獲得樣品的材料損耗。測量時通過消除光束偏移和表面缺陷影響提高測量精度。通過增加樣品的組數(shù)，提高整體損耗量，同時利用鎖相放大技術(shù)抑制噪聲，提高信噪比，從而進一步提高材料損耗的測量精度。本發(fā)明裝置和方法具有結(jié)構(gòu)簡易、調(diào)整方便和精度較高的特點。
【專利說明】
光學材料損耗的測量裝置和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光學測量，特別是一種光學材料損耗測量裝置和測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高功率激光裝置內(nèi)，各類光學材料形成的光學元件的損耗不僅影響著激光的最 大輸出能量，也關(guān)系到光束的輸出質(zhì)量。而光學元件的各類損耗值，比如表面散射損耗和材 料損耗，分別與元件不同的制備過程相關(guān)。精確測量光學元件的損耗值，有助于進一步優(yōu)化 元件的制備工藝，進而有利于進一步降低損耗。
[0003] 現(xiàn)有的各類損耗的測量方法有，分光光度法、總積分散射法、光聲法和光熱法等。 分光光度法通過測量光學元件的透過率和反射率，在不考慮元件散射的情況下，反推出元 件的損耗。目前分光光度計多采用白光光源，再經(jīng)過單色系統(tǒng)單色化，其中不可避免的存在 電子噪聲，同時白光發(fā)散角偏大，不易對光學元件的測量角度精確定位。總積分散射法則是 通過積分球收集散射光，從而得到元件的散射損耗。但其主要應(yīng)用于薄膜樣品，對于較厚的 體材料而言，入射光到元件后表面之間的距離不能忽略，積分球并不能收集到整個空間內(nèi) 的散射光，因此測量誤差較大。光聲法是通過光學元件在激光輻照后，元件內(nèi)的光聲波的波 形變化來得到元件的弱吸收引起的損耗。而光熱法，則是利用激光輻照光學元件引起光學 元件表面結(jié)構(gòu)以及性能變化，同時光熱信號隨著變化，從而反推出元件弱吸收引起的損耗。 比如光熱偏轉(zhuǎn)法，則是利用栗浦光輻照后，探測光的偏轉(zhuǎn)來得到元件的弱吸收損耗。但其受 栗浦光和探測光相對位置影響較大，對實驗裝置和實驗操作要求較高，目前還是主要應(yīng)用 于薄膜樣品。上述的方法都不能簡單快速的得到光學材料損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種光學材料損耗測量裝置和測量方法。該方法通過測量 僅厚度不同的樣品組在同一入射角下的透過率差異來去除表面損耗的影響，從而獲得樣品 的材料損耗。測量時通過消除光束偏移和表面缺陷影響提高測量精度。通過增加樣品的組 數(shù)，提尚整體損耗量，同時利用鎖相放大技術(shù)抑制噪聲，提尚?目噪比，從而進一步提尚材料 損耗的測量精度。該裝置和方法具有結(jié)構(gòu)簡易、調(diào)整方便和精度較高的特點。
[0005] 本發(fā)明的基本原理主要基于以下幾點：
[0006] 1.雙光路透過率測量法
[0007] 透過率測量方法常分為單光路法和雙光路法。雙光路法常利用分束器將光束分為 兩束光，一束作為參考光束，一束作為測量光束。其中測量光束經(jīng)過待測樣品，經(jīng)光電探測 器后采集到信號強度為Ρ;參考光束直接射入光電探測器，經(jīng)光電探測器后采集到信號強度 為Ρο。比較兩路光信號強度，獲得透射率。雙光路系統(tǒng)光路較復(fù)雜，增加原件需考慮參考光 路光程的變化，難以擴展。但對于雙光路來說，可以有效地減少光源或光路引起的不穩(wěn)定性 對測試精度的影響，并且具有較快的測試速度。
[0008] 2.鎖相放大技術(shù)
[0009] 在微弱信號檢測中，鎖相放大器通常與斬波器組合來檢測微弱信號，提高系統(tǒng)信 噪比。在光學測量系統(tǒng)中，斬波器用來將光源發(fā)出的連續(xù)光束斬波成脈沖信號，同時輸出與 調(diào)制頻率同步的參考電壓方波，作為鎖相放大器的參考信號。鎖相放大器是一種對交變信 號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較 基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻(或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應(yīng)。因 此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0011] -種光學材料損耗的測量裝置，特點在于其構(gòu)成包括：
[0012] 固體激光器，沿該固體激光器的激光輸出方向依次是斬波器和分束器，所述的分 束器將固體激光器發(fā)出的激光光束分成測量光束和參考光束，在所述的測量光束方向依次 是第一光學平臺和第一光電探測器，在參考光束方向設(shè)置第二光電探測器，所述的第一光 電探測器的輸出端、第二光電探測器的輸出端和所述的斬波器的輸出端與鎖相放大器輸入 端相連;該鎖相放大器的輸出端經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡與計算機的輸入端相連；
[0013] He-Ne激光器的輸出激光光束與所述的測量光束重合;在第二光學平臺上設(shè)置CCD 探測器;該CCD探測器的輸出端經(jīng)圖像采集卡與計算機的輸入端相連。
[0014] 利用上述光學材料損耗測量裝置獲得光學材料損耗的測量方法，包括下列步驟： [0015] 1)在所述的第一光學平臺上放置第一樣品組，在該第一樣品組中包含多組樣品， 其中每一組樣品由入射角度為Θ并成鏡像放置的厚度為ch的兩塊樣品組成來消除光束偏 移；
[0016] 2)開啟所述的He-Ne激光器，移動所述的CCD探測器，使其依次對準所述的第一樣 品組中每個樣品表面的測量區(qū)域，即He-Ne激光照射在樣品表面的點域，所述的CCD探測器 的測量信號經(jīng)由所述的圖像采集卡輸入并顯示在所述的計算機的顯示屏上，觀察每個樣品 測量區(qū)域的表面情況，若樣品測量區(qū)域有表面缺陷，則沿所述的測量光束方向移動該樣品， 改變測量區(qū)域，使該測量區(qū)域無表面缺陷，直至第一樣品組中每個樣品的測量區(qū)域無表面 缺陷；
[0017] 3)關(guān)閉所述的He-Ne激光器，開啟所述的固體激光器和鎖相放大器，記錄所述的第 一光電探測器經(jīng)由所述的鎖相放大器輸出的電壓信號h，所述的第二光電探測器經(jīng)由所述 的鎖相放大器輸出的電壓信號V 2;取下所述的第一光學平臺上的第一樣品組，記錄所述的 第一光電探測器經(jīng)由所述的鎖相放大器輸出的電壓信號V，，所述的第二光電探測器經(jīng)由 所述的鎖相放大器輸出的電壓信號V 2'；按公式TzWVs'Vi計算得到第一樣品組的透過 率Τι;
[0018] 4)在所述的第一光學平臺上放置由厚度為d2的由多組樣品組成的第二樣品組，返 回步驟1)，測量得到第二樣品組的透過率τ 2;
[0019] 5)根據(jù)光學材料的入射角度Θ、折射率η、樣品組厚度差| cb-ch |，按公式
十算所述的第一樣品組和第二樣品組的光程差L;
[0020] 6)根據(jù)所述的第一樣品組和第二樣品組的透過率差值| Mi |和光程差L，按公式α =I IVTi | /L計算該光學材料的單位長度的材料損耗α。
[0021] 本發(fā)明與在先技術(shù)相比較具有以下技術(shù)效果：
[0022] 1)本發(fā)明通過僅厚度不同的兩組樣品的透過率相減獲得光學材料損耗，降低表面 損耗對材料損耗測量的影響;通過CCD探測器觀察樣品測量區(qū)域的表面缺陷情況，確保測量 區(qū)域無表面缺陷，從而可消除表面缺陷對材料損耗測量的影響；
[0023] 2)本發(fā)明通過將兩塊樣品在同一入射角度下成鏡像放置，可測得光學材料在任意 角度下的材料損耗，同時消除入射角度帶來的光束偏移，提高損耗測量精度；
[0024] 3)本發(fā)明通過增加樣品組數(shù)增加損耗量，同時采用鎖相放大技術(shù)抑制噪聲，從而 提升信噪比，提高光學材料損耗的測量精度。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明光學材料損耗的測量裝置示意圖。
[0026] 圖中：1_固體激光器，2-斬波器，3-分束器，4-第一光學平臺，5-第一光電探測器， 6_第二光電探測器，7-鎖相放大器，8-數(shù)據(jù)采集卡9-He-Ne激光器，10-CCD探測器，11-第二 光學平臺，12-圖像采集卡，13-計算機
[0027] 圖2是本發(fā)明測量時一組樣品的放置示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范 圍。
[0029]先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明光學材料損耗測試裝置示意圖，由圖可見，一種光學材 料損耗的測量裝置，特征在于其構(gòu)成包括：
[0030] 固體激光器1，沿該固體激光器1的激光輸出方向依次是斬波器2和分束器3,所述 的分束器3將固體激光器1發(fā)出的激光光束，分成測量光束和參考光束，在所述的測量光束 方向依次是第一光學平臺4和第一光電探測器5,在參考光束方向設(shè)置第二光電探測器6,所 述的第一光電探測器5的輸出端、第二光電探測器6的輸出端和所述的斬波器2的輸出端與 鎖相放大器7輸入端相連;該鎖相放大器7的輸出端經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡8與計算機13的輸入端相 連；
[0031] He-Ne激光器9的輸出激光光束與所述的測量光束重合;在第二光學平臺11上設(shè)置 (XD探測器10;該(XD探測器10的輸出端經(jīng)圖像采集卡12與計算機13的輸入端相連。
[0032] 利用所述的測量裝置實現(xiàn)光學材料損耗測量方法，包括如下步驟：
[0033] 1)在所述的第一光學平臺4上放置第一樣品組，在該第一樣品組中包含多組樣品， 其中每一組樣品由入射角度為Θ并成鏡像放置的厚度為ch的兩塊樣品組成來消除光束偏 移；
[0034] 2)開啟所述的He-Ne激光器9,移動所述的CCD探測器10,使其依次對準所述的第一 樣品組中每個樣品表面的測量區(qū)域，即He-Ne激光照射在樣品表面的點域，所述的CCD探測 器10的測量信號經(jīng)由所述的圖像采集卡12輸入并顯示在所述的計算機13的顯示屏上，觀察 每個樣品測量區(qū)域的表面情況，若樣品測量區(qū)域有表面缺陷，則沿所述的測量光束方向移 動該樣品，改變測量區(qū)域，使該測量區(qū)域無表面缺陷，直至第一樣品組中每個樣品的測量區(qū) 域無表面缺陷；
[0035] 3)關(guān)閉所述的He-Ne激光器9,開啟所述的固體激光器1和鎖相放大器7,記錄所述 的第一光電探測器5經(jīng)由所述的鎖相放大器7輸出的電壓信號Vi，所述的第二光電探測器6 經(jīng)由所述的鎖相放大器7輸出的電壓信號V 2;取下所述的第一光學平臺4上的第一樣品組， 記錄所述的第一光電探測器5經(jīng)由所述的鎖相放大器7輸出的電壓信號￥^，所述的第二光 電探測器6經(jīng)由所述的鎖相放大器7輸出的電壓信號V 2'；按公式TzWVs'Vi計算得到第 一樣品組的透過率T1;
[0036] 4)在所述的第一光學平臺4上放置由厚度為辦的由多組樣品組成的第二樣品組， 返回步驟1)，測量得到第二樣品組的透過率τ 2;
[0037] 5)根據(jù)光學材料的入射角度Θ、折射率η、樣品組厚度差| cb-ch |，按公式
f算所述的第一樣品組和第二樣品組的光程差L;
[0038] 6)根據(jù)所述的第一樣品組和第二樣品組的透過率差值| Mi |和光程差L，按公式α =I IVTi | /L計算該光學材料的單位長度的材料損耗α。
[0039] 對于材料損耗較小的光學材料，可以增加待測樣品組中的樣品個數(shù)，提高樣品組 的整體損耗量，同時采用鎖相放大技術(shù)抑制噪聲，從而提升信噪比，提高光學材料損耗的測 量精度。
[0040] 實驗表明，通過本發(fā)明裝置和方法可簡單快速的得到測量精度較高的光學材料損 耗。
【主權(quán)項】
1. 一種光學材料損耗的測量裝置，特征在于其構(gòu)成包括： 固體激光器（1)，沿該固體激光器（1)的激光輸出方向依次是斬波器(2)和分束器(3)， 所述的分束器(3)將固體激光器（1)發(fā)出的激光光束，分成測量光束和參考光束，在所述的 測量光束方向依次是第一光學平臺（4)和第一光電探測器(5)，在參考光束方向設(shè)置第二光 電探測器(6)，所述的第一光電探測器(5)的輸出端、第二光電探測器(6)的輸出端和所述的 斬波器(2)的輸出端與鎖相放大器(7)輸入端相連;該鎖相放大器(7)的輸出端經(jīng)數(shù)據(jù)采集 卡(8)與計算機(13)的輸入端相連； He-化激光器(9)的輸出激光光束與所述的測量光束重合;在第二光學平臺（11)上設(shè)置 CCD探測器（10);該CCD探測器（10)的輸出端經(jīng)圖像采集卡（12)與計算機（13)的輸入端相 連。2. 利用權(quán)利要求1所述的裝置進行光學材料損耗的測量方法，其特征在于包括下列步 驟： 1) 在所述的第一光學平臺（4)上放置第一樣品組，在該第一樣品組中包含多組樣品，其 中每一組樣品由入射角度為Θ并成鏡像放置的厚度為山的兩塊樣品組成，消除光束偏移； 2) 開啟所述的He-化激光器(9)，移動所述的CCD探測器（10)，使其依次對準所述的第一 樣品組中每個樣品表面的測量區(qū)域，即He-化激光照射在樣品表面的點域，所述的CCD探測 器（10)的測量信號經(jīng)由所述的圖像采集卡（12)輸入并顯示在所述的計算機（13)的顯示屏 上，觀察每個樣品測量區(qū)域的表面情況，若樣品測量區(qū)域有表面缺陷，則沿所述的測量光束 方向移動該樣品，改變測量區(qū)域，使該測量區(qū)域無表面缺陷，直至第一樣品組中每個樣品的 測量區(qū)域無表面缺陷； 3) 關(guān)閉所述的化-化激光器(9)，開啟所述的固體激光器（1)和鎖相放大器(7)，記錄所 述的第一光電探測器(5)經(jīng)由所述的鎖相放大器(7)輸出的電壓信號VI，所述的第二光電探 測器(6)經(jīng)由所述的鎖相放大器(7)輸出的電壓信號V2;取下所述的第一光學平臺（4)上的 第一樣品組，記錄所述的第一光電探測器（5)經(jīng)由所述的鎖相放大器（7)輸出的電壓信號 VI'，所述的第二光電探測器(6)經(jīng)由所述的鎖相放大器(7)輸出的電壓信號V2' ；按公式Τ = Vl ' V2/V2 ' Vi計算得到第一樣品組的透過率Τι; 4) 在所述的第一光學平臺（4)上放置由厚度為cb的由多組樣品組成的第二樣品組，返回 步驟1)，測量得到第二樣品組的透過率T2 ; 5) 根據(jù)光學材料的入射角度Θ、折射率η、樣品組厚度差I(lǐng) ch-di I，按公式計算所述的第一樣品組和第二樣品組的光程差L 6) 根據(jù)所述的第一樣品組和第二樣品組的透過率差值I T2-T11和光程差L，按公式α= I Τ2-Τ11 /L計算該光學材料的單位長度的材料損耗α。
【文檔編號】G01N21/59GK105973849SQ201610529562
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】賀洪波, 曹珍, 胡國行, 趙元安, 王岳亮, 彭小聰
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所