[发明专利]一种基于光腔衰荡技术的高反射光学元件总积分散射的测量方法

说明书

本发明涉及一种基于光腔衰荡技术测量高反射光学元件总积分散射的方法，通过采用双通道光腔衰荡技术同步测量从高反射输出腔镜透射的和从被测高反射光学元件在一定立体角内散射的光腔衰荡信号，在两路光腔衰荡信号的衰荡时间一致时通过两路信号幅值的比值和高反射输出腔镜透过率计算得到被测高反射光学元件在该收集立体角时的散射值；改变收集立体角大小测量不同收集立体角时的散射值，获得散射值与收集立体角的关系曲线，然后将测量的关系曲线与描述高反射光学元件散射特性的散射理论进行拟合，获得被测高反射光学元件的总积分散射。该测量方法具有测量灵敏度高、测量精度高、测量结果不受环境杂散光影响等优点。

技术领域

本发明涉及用于测量高反射光学元件的光学特性的技术领域，特别涉及一种基于光腔衰荡技术测量高反射光学元件的总积分散射损耗的方法。

背景技术

高反射光学元件广泛使用于高能激光、引力波探测、激光陀螺等技术领域中。高反射光学元件的散射特性是重要的特性参数，对光学系统的总体性能具有重要影响，例如在激光陀螺惯导系统中光学元件的散射特性直接影响了导航精度，空间引力波探测中星载望远镜光学元件的后向散射必须控制在低于10^-10量级，而在强光系统中，高能/高功率激光束的散射可能对环境或操作人员安全造成威胁，必须准确测量和严格控制。在这些光学系统的性能优化中，精确测量高反射光学元件的散射特性，特别是总积分散射特性，变得尤为重要。

光学元件总积分散射的测量一般采用分光光度方法，即通过采用积分球收集前向或后向散射光，用光电探测器探测散射光强度并与入射光强度比值获得前向或后向总积分散射。常用的收集散射光的积分球有Ulbricht全球和Coblentz半球。传统总积分散射测试方法中存在以下四个问题：1)散射值的准确标定问题。一般采用已知Lambertian散射特性的漫反射标准样品(漫反射率接近100％)对散射信号进行标定，因此需要使用的光电探测器有大的动态线性测量范围，至少5～6个数量级；2)环境杂散光的影响。特别是当被测光学元件总散射较弱(例如低于10ppm)测试时，环境杂散光的影响变得不可忽略；3)光源杂散光的影响。对于低于100ppm散射的测量，激光光源的杂散光对测量结果存在较大影响；4)当采用Coblentz半球收集散射光时，成像视场角接近180°，存在非常大的像差，该像差可对散射测量结果产生实质影响。对高反射光学元件，其散射一般较弱(低于100ppm，甚至低于10ppm)，这些问题导致如此低的散射测量结果存在非常大的测量误差，无法准确评估高反射光学元件的散射特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服基于传统分光光度方法测量高反射光学元件总积分散射的不足，采用双通道光腔衰荡技术测量高反射光学元件的总积分散射，通过光腔衰荡技术在腔内激光能量积累实现散射探测灵敏度增强，通过高反射输出腔镜低的透过率标定散射值提高散射测量精度，通过利用光腔衰荡信号的时间衰减特性消除环境和光源杂散光的影响，实现高反射光学元件总积分散射的高灵敏、高精度测量。

其具体实现步骤如下：

步骤(1)、建立双通道光腔衰荡测量装置：光源1选用连续半导体激光器，采用函数发生卡15方波调制激光器输出；根据光反馈光腔衰荡技术，将激光注入到稳定光学谐振腔；由平面高反射腔镜2和两块相同的平凹高反射腔镜3、7构成稳定初始光学谐振腔，其中腔镜3为输出腔镜，并在初始光学谐振腔中按使用角度插入被测高反射光学元件9构成测试光学谐振腔。入射激光束通过平面高反射腔镜2注入到光学谐振腔，并在谐振腔内震荡；采用两种方式同步探测光腔衰荡信号：(1)从高反射输出腔镜3透射的光信号经聚焦透镜4聚焦到第一光电探测器6探测；(2)从被测高反射光学元件9散射的光信号经离轴抛物镜对10和12聚焦到第二光电探测器14探测，离轴抛物镜10中心带小孔让腔内激光束穿过，散射光收集立体角大小通过放置于离轴抛物镜对10和12之间的可调光阑11调节；放置于第一光电探测器6前的第一光学衰减片5和第二光电探测器14前的第二光学衰减片13用于调节光电探测器6和14的输出信号(电压)值；小孔光阑8用于遮挡平凹高反射腔镜7的散射光进入光电探测器14；