衰荡腔失调下的波形仿真

在高反射率的精确测量中,光腔衰荡系统的腔失调直接影响着反射率测量结果的精度。根据光束传输变换规律和信号叠加方式,利用最小二乘法进行数据拟合,建立了腔失调对衰荡波形的影响模型。通过数值运算,模拟了不同腔长失调或腔镜倾斜下衰荡信号波形的变化情况。通过比较,与实验结果吻合较好。仿真结果表明,将示波器上的衰荡波形用于衰荡腔的精密调节中,可以提高测量精度。分析给出了衰荡光腔实验调节的两个判据:1)根据衰荡波形的峰值包络线的变化趋势来调节衰荡腔的腔长;2)根据衰荡波形中相邻奇、偶次脉冲幅值的大小对比调节衰荡光腔的腔镜角度。     

宽谱连续波复合衰荡光腔技术测量高反射率

提出了一种连续波复合衰荡光腔(CRD)技术,可同时确定腔镜和待测镜高反射率,无需测量系统响应,提高了测量精度。以方波调制的连续激光耦合进衰荡腔,采用锁相方式探测衰荡信号一次谐波的振幅和相位。在数据处理中消除了系统响应的影响,由对应调制频率时直腔和折叠腔衰荡信号一次谐波的振幅比值和相位差值进行频域拟合,同时得到腔镜和待测平面镜的反射率。理论上推导了频域拟合函数。对100 cm共焦腔和110 cm稳定腔分别进行了直腔和折叠腔实验,最终确定腔镜反射率99.784%,待测平面镜反射率99.668%,测量精度达到10-5量级,与测量并消除系统响应后得到的反射率结果一致。     

数据拟合点的截取对光腔衰荡法测量反射率的影响

利用光腔衰荡法测量反射率,探测器性能对衰荡信号的测量有很大影响,具有不同时间响应和灵敏度特性的探测器会得到不同的信号衰荡曲线起始点和信号淹没点.对于性能相同的探测器,在测量反射率不同的反射镜时,也会得到不同的信号淹没点.在数据拟合过程中,截取不同的数据起始点和信号淹没点,会得到不同的衰荡时间,从而影响反射率的测量精度.对衰荡信号进行对数变换,首次利用χ2拟合对数据进行处理,通过对有效拟合数据与斜率误差关系的分析,得到了最佳拟合数据点截取的方法.实验证明:此方法可有效处理无效光信号和噪声信号的分界点,给出了衰减时间的数据截取依据,有助于改善时间衰荡法测试的精度和重复性.     

探测器的响应特性及对连续波腔衰荡技术测量的影响

对近红外探测器PDA400的响应特性进行了测试,并就探测器响应特性对连续波腔衰荡法腔损耗测量结果的影响进行了理论分析和实验研究.通过求得的探测器线性响应情况下的响应函数,推导出衰荡信号输入时探测器的输出信号线形,发现原本应呈单指数衰减的信号变为了双指数衰减.根据探测器响应时间的测试结果,针对PDA400探测器增益设置为20 dB,40 dB两种典型情况下的衰荡信号拟合进行了研究.提出了针对不同探测器增益设置(不同响应时间)时的衰荡信号数据处理方式,并进行实验验证,消弱了探测器响应特征对腔损耗测量结果的影响.最后就探测器非线性响应情况下的衰荡数据处理作了讨论.     

衰荡光腔中腔镜倾斜分析

分析了衰荡腔中腔镜倾斜产生的腔长失调和单程损耗因子变化,根据失调腔矩阵分析方法并参照实验参数,建立了腔镜角度失调下反射率测量的理论模型.利用该模型,模拟了不同腔镜倾斜量下的衰荡信号波形,分析了波形变化的原因,研究了测量精度与腔镜倾斜量的关系.分析表明,腔镜微小倾斜产生的衍射损耗的变化可以忽略,但导致的腔长变化和衰荡光斑漂移,会限制测量的精度.将衰荡波形的变化用于腔镜角度的精确调节中,可以提高该测量精度.     

探测器孔径大小对衰荡腔测量精度的影响

为了研究光腔衰荡光谱法的反射率测量精度,分析了腔长失调对衰荡腔模式影响。在此基础上,根据高斯光束空间传输表达式,推导了在一定腔长失调条件下,探测器孔径与衰荡脉冲信号的关系式。并利用数值模拟,分析了衰荡腔测量精度与探测器孔径大小的关系。结果表明,探测器孔径越大,测量的相对误差越小。     

光腔衰荡法的单波长反射率测量实验研究

分析了反射率光腔衰荡法测量原理的近似条件,讨论了共焦腔的失调特性,计算了腔镜反射率对衰荡信号的影响。在此基础上,为减少OPO激光束的衍射损耗引入的测量误差,选择He-Ne激光作导引光,建立以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置。利用直腔和折叠腔对腔镜和插入镜片的反射率进行了实验测量。直腔方式下测量的均方差小于6×10-6。分析表明,光腔衰荡法只适用于高反镜反射率的测量;在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器,可以提高测量精度。     

连续激光光腔衰荡法精确测量高反射率

提出了基于宽谱半导体激光器连续激光光腔衰荡法测量高反射率的方法,给出了方波调制连续激光光腔衰荡法理论。采用锁相技术记录光腔输出信号一次谐波的振幅和相位,由振幅和相位随调制频率的变化曲线分别拟合衰荡时间。给出了不同腔长下两种拟合方式分别得到的衰荡时间,最终确定腔镜反射率为99.70%,误差小于0.01%。由频域拟合方式得到反射率结果,使可靠性得到提高。与脉冲激光光腔衰荡法相比,采用连续半导体激光器作光源,大大降低了成本,且由于光束质量高,更有利于提高测量精度。     

超高反射率测量系统的精密调试

在高反射率的精确测量中,光腔衰荡系统的调节直接影响反射率测量结果的精度.介绍了大口径超高反射率测量系统的结构及其工作原理,讨论了影响系统测量精度的因素,理论上估算的测量精度为9.1×10-6.在直腔下对该系统的性能进行了实验调试,根据衰荡波形的峰值包络线的变化趋势来调节衰荡腔的腔长;根据表荡波形中相邻奇、偶次脉冲幅值的大小对比调节衰荡光腔的腔镜角度.实验测试结果表明,系统的测量不确定度优于7×10-6,最大测量误差为1.3×10-5,与理论上预计误差在数量级上一致.     

衰荡腔腔长失调的实验分析

光腔衰荡法是一种高反射率的测量技术.在腔长失调的情况下,根据高斯光束空间传输表达式和光腔衰荡法测量原理,建立了反射率测量的理论模型.利用模拟计算,得到了腔长失调对衰荡信号的影响.通过与实验现象相比较,证明了理论分析方法是合理的.     

基于腔反射光控制的腔衰荡光谱测量实验研究

腔衰荡光谱(CRDS)技术是一种高灵敏的激光吸收光谱技术,它实现的关键技术是在腔内激光强度达到一定值时,迅速将激光关断来探测光强的衰减信号.在激光与腔共振时,腔的反射信号迅速减小可以产生低电平来触发由TTL信号控制的声光调制器(AOM)关断激光,从而实现CRDS.在关断激光后用快速响应探测器对腔的衰荡信号进行探测,用L...     

模式失配对连续波腔衰荡技术测量的影响

对连续波腔衰荡技术中的模式失配对测量结果的影响进行了理论分析和实验研究。在腔菲涅耳数较大时,基于高斯光束的参数q变换规律及模式耦合有关理论,分析和模拟了引起模式失配的两个主要因素——光束半径失配和相前曲率失配对一般稳定腔连续波腔衰荡法测量的影响,并进行了实验验证。结果表明,当腔的菲涅耳数较大时,模式失配主要影响无源腔出射光功率的大小,而对其衰荡特征影响不大。在同等模式耦合条件下,选择功率大的光源及聚光面积大的探测器有利于提高测量精度。     

Continuous-wave cavity ring-down technique for accurate measurement of high reflectivity

A continuous-wave cavity ring-down (CWCRD) technique employing a broadband diode laser is developed for high reflectivity measurement. The theory of square-wave modulated CW-CRD is presented. The spectrum of the broadband CW diode laser covers numerous free spectral ranges (FSRs) so that sufficient laser power is coupled into the cavity. Both amplitude and phase-shift of the first harmonic of the CRD signal,measured at an appropriate frequency range, are detected by a lock-in method and fitted to obtain the ring-down time and reflectivity. The measurements are repeated with five different cavity lengths and all the fitted reflectivities are in excellent agreement, indicating a high reliability of the CW-CRD technique. The reflectivity of the cavity mirror is determined statistically to be 99.70%,with an uncertainty of 0.01%.     

腔衰荡技术应用中的快速数据拟合

数据拟合是腔衰荡技术应用中极其关键的一个步骤,因为它一定程度上决定着腔损耗测量的精度和速度.在连续波腔衰荡技术应用中,探测器实际测得的信号并非理想的单指数衰减,而是表现为单指数衰减项和常数项之和.这种非线性模型的拟合常采用牛顿法或其改进法等非线性拟合方法进行,但这些方法计算量大、速度缓慢,而且还需要良好的初始条件.针对这种情况,在分析实际连续波腔衰荡信号的特点的基础上,本文对连续波腔衰荡数据拟合中的若干问题(模型建立、数据预处理等)进行了研究,采用加权最小二乘法来拟合线性化处理后的腔衰荡信号.实验表明,该拟合方法在减少运算量、提高拟合速度(至少6倍)的同时,能保证其拟合结果与非线性拟合结果之间误差不超过0.01ppm.     

一种随机干扰数据的快速抛物线拟合算法

提供一种干扰数据的抛物线波形拟合方法,利用该方法在对接收的数据进行抛物线波形拟合的过程中,无需进行复杂的逆矩阵计算,因而可以提高信号处理的效率,满足探测器对数据处理的实时性要求。