一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，屬于高反射率測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光學(xué)鍍膜技術(shù)的發(fā)展，具有極高反射率的反射鏡在天文觀測(cè)、高功率激光器、激光光譜技術(shù)等軍事和民用領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，而傳統(tǒng)的反射率測(cè)量技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足要求，光腔衰蕩光譜技術(shù)被認(rèn)為是目前唯一的一種可以精確測(cè)量極高反射率的方法。光腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)是一種具有極高靈敏度、高精度、高信噪比等特點(diǎn)的吸收光譜探測(cè)技術(shù)。其基本的物理思想是:利用一對(duì)由高反鏡構(gòu)成的光腔，使入射激光在光腔內(nèi)往返幾千至幾萬次，反復(fù)通過待測(cè)物質(zhì)，盡可能地增加吸收光程以提高探測(cè)靈敏度，使用具有時(shí)間分辨的探測(cè)器記錄輸出信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行擬合分析而最終得到光腔內(nèi)待測(cè)吸收介質(zhì)的吸收光譜。該技術(shù)的核心光學(xué)元件是一個(gè)具有高Q值的光腔，通常是由一對(duì)具有極高反射率的聚焦反射鏡所構(gòu)成，光能夠在光腔內(nèi)往返幾千米甚至幾萬米，如此長(zhǎng)的吸收光程是其他吸收光譜探測(cè)技術(shù)所不能比擬的。另外，這個(gè)技術(shù)更明顯的優(yōu)勢(shì)在于它測(cè)量的是輸出光信號(hào)的時(shí)間衰減率，與入射或輸出光的絕對(duì)強(qiáng)度無關(guān)，所以測(cè)量結(jié)果也就不受光源穩(wěn)定性的影響。另外，此技術(shù)對(duì)吸收光譜的測(cè)量屬于自參考測(cè)量，不需要進(jìn)行額外的標(biāo)定。隨著CRDS技術(shù)的發(fā)展，人們逐步認(rèn)識(shí)到其存在的一些不足，開展了使用寬帶光源作為其輸入光源的研究，并對(duì)光腔的腔鏡反射率進(jìn)行了測(cè)量，但是現(xiàn)有的研究?jī)H對(duì)腔鏡的反射率進(jìn)行了測(cè)量，使用的寬帶光源的光譜功率很低，截至目前還沒有對(duì)高反鏡的反射率進(jìn)行測(cè)量的工作[G.Schmidl, ff.Paa, ff.Triebel, S.Schippel,and H.Heyer, SpectralIy resolved cavity ring down measurement of highreflectivity mirrors using a supercontinuum laser source, App.0pt.48，6754-6759 (2009)]o
[0003]本發(fā)明提出采取激光超連續(xù)輻射作為光腔衰蕩光譜技術(shù)的光源，采用折疊腔進(jìn)行高反射率的測(cè)量，寬波段范圍內(nèi)的信號(hào)可以同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，從而一次性獲取幾十到上百納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率曲線。不需要做波長(zhǎng)維度的掃描，也不需要進(jìn)行傳統(tǒng)CRDS所必須的光源與光腔之間的模式匹配，在保證反射率測(cè)量精度的同時(shí)使反射率測(cè)量過程大大簡(jiǎn)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決精確測(cè)量極高反射率、可一次性獲取幾十到上百納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率曲線的問題，本發(fā)明提供了一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法。本發(fā)明之一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，包括飛秒激光器1、超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2、探測(cè)系統(tǒng)3和光譜收集系統(tǒng)4;其中，飛秒激光器I和超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2相連接;超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2和探測(cè)系統(tǒng)3相連接;探測(cè)系統(tǒng)3和光譜收集系統(tǒng)4相連接;超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2是由聚焦透鏡5、光學(xué)介質(zhì)6、準(zhǔn)直透鏡7構(gòu)成，探測(cè)系統(tǒng)3是由濾波片8、折疊腔鏡91、待測(cè)高反鏡10、折疊腔鏡9Π、收集透鏡11構(gòu)成;光譜收集系統(tǒng)4是由耦合有ICCD的光譜儀12、計(jì)算機(jī)13構(gòu)成。
[0005]飛秒激光器I采用的是中心波長(zhǎng)800nm、脈寬50fs、脈沖能量3.6mJ、重復(fù)頻率1000Hz的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)，其產(chǎn)生的飛秒激光脈沖通過超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2(聚焦透鏡5、光學(xué)介質(zhì)6、準(zhǔn)直透鏡7)，產(chǎn)生超連續(xù)輻射；
所產(chǎn)生的超連續(xù)輻射通過探測(cè)系統(tǒng)3(濾波片8、折疊腔鏡91、待測(cè)高反鏡10、折疊腔鏡9Π、收集透鏡11)，在折疊腔里形成振蕩，折疊腔的角度任意，通過光譜收集系統(tǒng)4(耦合有ICCD的光譜儀12、計(jì)算機(jī)13)進(jìn)行信號(hào)的收集，得到衰蕩曲線；
改變折疊腔中針對(duì)不同波段的腔鏡；
改變折疊腔中的待測(cè)高反鏡(金屬鏡、介質(zhì)膜高反鏡等)；
所述的操作流程如圖5所示。結(jié)合硬件操作流程并說明本發(fā)明的操作步驟如下:
執(zhí)行步驟14，開始，裝置檢查;檢查正常，執(zhí)行步驟15;
執(zhí)行步驟15，開啟飛秒激光器I，產(chǎn)生飛秒激光脈沖；
執(zhí)行步驟16，通過調(diào)節(jié)超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2，產(chǎn)生超連續(xù)輻射；
執(zhí)行步驟17，通過調(diào)節(jié)探測(cè)系統(tǒng)3，調(diào)節(jié)折疊腔鏡91、待測(cè)高反鏡10、折疊腔鏡9Π的姿態(tài)，在折疊腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩；
執(zhí)行步驟18，通過收集透鏡11后，光譜收集系統(tǒng)4接收信號(hào)，使用計(jì)算機(jī)13得到數(shù)據(jù)；
執(zhí)行步驟19，結(jié)束。
[0006]有益效果:本發(fā)明結(jié)合了折疊型光腔衰蕩光譜技術(shù)和飛秒激光超連續(xù)輻射產(chǎn)生技術(shù)，采用激光超連續(xù)輻射作為折疊型光腔衰蕩光譜技術(shù)的光源進(jìn)行高反射率的測(cè)量。本發(fā)明之一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法操作簡(jiǎn)單，能一次性獲取幾十到上百納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率曲線，不需要做波長(zhǎng)維度的掃描，也不需要進(jìn)行傳統(tǒng)CRDS所必須的光源與光腔之間的模式匹配，在保證反射率測(cè)量精度的同時(shí)使反射率測(cè)量過程大大簡(jiǎn)化?？蓱?yīng)用于高功率激光器、激光光譜技術(shù)、鍍膜加工等軍事和民用領(lǐng)域中的高反射鏡的反射率測(cè)量。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法的示意框圖；
圖2是本發(fā)明超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖3是本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖4是本發(fā)明光譜收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖5是本發(fā)明一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法的流程圖；
圖6是本發(fā)明裝置及方法下繪制的銀鏡在400-450nm波段的反射率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0008]實(shí)施例1
本發(fā)明之一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，其包括飛秒激光器1、超連續(xù)光源產(chǎn)生系統(tǒng)2、探測(cè)系統(tǒng)3和光譜收集系統(tǒng)4;其中，飛秒激光器I和超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2相連接;超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2和探測(cè)系統(tǒng)3相連接;探測(cè)系統(tǒng)3和光譜收集系統(tǒng)相連接;超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2是由聚焦透鏡5、光學(xué)介質(zhì)6、準(zhǔn)直透鏡7構(gòu)成，探測(cè)系統(tǒng)3是由濾波片8、折疊腔鏡91、待測(cè)高反鏡10、折疊腔鏡9Π、收集透鏡11構(gòu)成;光譜收集系統(tǒng)4是由耦合有ICCD的光譜儀12、計(jì)算機(jī)13構(gòu)成；
飛秒激光器I采用的是中心波長(zhǎng)800nm、脈寬50fs、脈沖能量3.6mJ、重復(fù)頻率1000Hz的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)，其產(chǎn)生的飛秒激光脈沖通過超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2(聚焦透鏡5、光學(xué)介質(zhì)6、準(zhǔn)直透鏡7)，其中光學(xué)介質(zhì)6為石英，產(chǎn)生超連續(xù)輻射；
所產(chǎn)生的超連續(xù)輻射通過探測(cè)系統(tǒng)3(濾波片8、折疊腔鏡91、待測(cè)高反鏡10、折疊腔鏡9Π、收集透鏡11)，在折疊腔里形成振蕩，折疊腔角度為90度，其中使用750-790nm的腔鏡，待測(cè)高反鏡10為鋁鏡，通過光譜收集系統(tǒng)4(耦合有ICCD的光譜儀12、計(jì)算機(jī)13)進(jìn)行透射光譜的收集，得到衰蕩曲線；
所述的操作流程如圖5所示。結(jié)合硬件操作流程并說明本發(fā)明的操作步驟如下:
執(zhí)行步驟14，開始，裝置自檢；自檢正常，執(zhí)行步驟15;
執(zhí)行步驟15，開啟飛秒激光器1，產(chǎn)生的飛秒激光脈沖；
執(zhí)行步驟16，通過調(diào)節(jié)超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)2，產(chǎn)生超連續(xù)輻射；
執(zhí)行步驟17，通過調(diào)節(jié)探測(cè)系統(tǒng)3，調(diào)節(jié)折疊腔鏡91、待測(cè)高反鏡10、折疊腔鏡9Π的姿態(tài)，在折疊腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩；
執(zhí)行步驟18，通過收集透鏡11后，光譜收集系統(tǒng)4接收信號(hào)，使用計(jì)算機(jī)13得到數(shù)據(jù)；
執(zhí)行步驟19，結(jié)束。
[0009]實(shí)施例2
光學(xué)介質(zhì)分別改為水、甲醇、乙醇，其余的同實(shí)施例1。
[0010]實(shí)施例3
腔鏡改為600-700nm波段，其余的同實(shí)施例1。
[0011]實(shí)施例4
入射激光進(jìn)入BBO晶體倍頻后改為400nm，腔鏡改為350_450nm波段，其余的同實(shí)施例1。
[0012]實(shí)施例5
待測(cè)高反鏡改成銀鏡，各個(gè)波段全反射鏡，其余的同實(shí)施例1。
[0013]實(shí)施例6
將折疊腔角度連續(xù)變化，其余的同實(shí)施例1。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明之一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，包括飛秒激光器(I)、超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)(2)、探測(cè)系統(tǒng)(3)和光譜收集系統(tǒng)(4);其中，飛秒激光器(I)和超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)(2)相連接;超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)(2)和探測(cè)系統(tǒng)(3)相連接;探測(cè)系統(tǒng)(3)和光譜收集系統(tǒng)(4)相連接;超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)(2)是由聚焦透鏡(5)、光學(xué)介質(zhì)(6)、準(zhǔn)直透鏡(7)構(gòu)成，探測(cè)系統(tǒng)(3)是由濾波片(8)、折疊腔鏡(91)、待測(cè)高反鏡(10)、折疊腔鏡(9 Π )、收集透鏡(11)構(gòu)成;光譜收集系統(tǒng)(4)是由耦合有ICCD的光譜儀(12)、計(jì)算機(jī)(13)構(gòu)成； 飛秒激光器(I)采用的是中心波長(zhǎng)800nm、脈寬50fs、脈沖能量3.6mJ、重復(fù)頻率1000Hz的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)； 飛秒激光脈沖通過超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)(2 )，產(chǎn)生超連續(xù)輻射； 所產(chǎn)生的超連續(xù)輻射通過探測(cè)系統(tǒng)(3)，調(diào)節(jié)折疊腔鏡和待測(cè)高反鏡的姿態(tài)，在折疊腔里形成振蕩，折疊腔的角度任意； 通過光譜收集系統(tǒng)(4)進(jìn)行透射光譜的收集，得到衰蕩曲線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，其特征在于使用飛秒激光器(I)采用的是中心波長(zhǎng)800nm、脈寬50fs、脈沖能量3.6mJ、重復(fù)頻率1000Hz的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)經(jīng)過超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)(2)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的寬帶超連續(xù)輻射。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，其特征在于不需波長(zhǎng)掃描可一次性獲取上百納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，其特征在于使用的光學(xué)介質(zhì)(6)包括熔融石英、晶體、玻璃、水、甲醇、乙醇、溶液或光纖，用于產(chǎn)生超連續(xù)輻射。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，其特征在于該裝置和方法可測(cè)量高反鏡包括金屬鏡、介質(zhì)膜反射鏡或高反射表面。
【專利摘要】本發(fā)明屬于高反射率測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)合了折疊型光腔衰蕩光譜技術(shù)和飛秒激光超連續(xù)輻射產(chǎn)生技術(shù)，是一種利用激光超連續(xù)輻射的測(cè)量反射率的裝置和方法，其構(gòu)成包括：飛秒激光器、超連續(xù)輻射產(chǎn)生系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和光譜收集系統(tǒng)，能一次性獲取幾十到上百納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率曲線，不需要做波長(zhǎng)維度的掃描，也不需要進(jìn)行傳統(tǒng)CRDS所必須的光源與光腔之間的模式匹配，在保證反射率測(cè)量精度的同時(shí)使反射率測(cè)量過程大大簡(jiǎn)化。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靈活布置，將在高反射鏡的反射率測(cè)量領(lǐng)域中得到長(zhǎng)足發(fā)展。
【IPC分類】G01N21/55
【公開號(hào)】CN105510280
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510827722
【發(fā)明人】宋鶴, 張?zhí)m芝, 郝作強(qiáng), 李東偉, 林景全
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春理工大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月25日