光腔衰荡法数据截取对时间常数测量精度的影响分析

光腔衰荡方法是目前测量光学元件超高反射率(反射率>99.9%)的唯一方法。介绍了一种对光腔衰荡法中激光信号强度与时间关系的优化提取方法。设计了基于光腔衰荡法的光学元件超高反射比的测试系统,通过对采集的光腔衰荡曲线数据进行分段指数拟合,将光腔衰荡曲线数据分为5段,对每段指数拟合结果对应的R² (R-square)和RMSE(root mean squared error)值进行对比分析,计算每段指数拟合的衰荡时间。实验结果表明:截取光腔衰荡曲线数据40%～60%部分拟合得到的结果最接近真实值,求得对应的腔镜的反射率为99.988 977%。最后通过与腔镜的自身反射率进行比较,表明该种数据拟合方法能有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。     

衰荡腔测量中的腔参数选择

 基于谐振腔失调灵敏度参量随腔长的变化关系,提出了一种衰荡腔,它是由共焦腔将腔长缩短为原来的0.73得到的稳定腔。根据光束传输规律和失调腔矩阵方法,以及光腔衰荡法测量原理和曲线拟合方法,建立了腔长、腔镜角度失调下光腔衰荡法的反射率测量模型。通过数值模拟,研究了这种稳定衰荡腔中,腔微小失调对反射率测量结果的影响,并与相同失调情况下共焦衰荡腔的测量结果进行了对比分析。结果表明,这种稳定腔用作衰荡腔,测量结果受腔镜角度失调影响较大,而受腔长失调影响小;其长度较短,便于工程应用;衍射损耗较小,测量精度高。     

光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术测量腔镜高反射率的对比研究(英文)

基于半导体激光器的光反馈效应,提出了光反馈光腔衰荡技术用于测量腔镜的高反射率。相对于没有光反馈的情况,光腔衰荡信号振幅提高了两个数量级,从而大大提高了高反射率测量精度。在四个衰荡腔长采用光反馈光腔衰荡技术测量得到的腔镜反射率非常一致,统计平均值为99.9356±0.0008%。通过实验比较了光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术。结果表明,光反馈光腔衰荡技术的测量精度比脉冲光腔衰荡技术高。     

腔长失调对光腔衰荡法测量精度的影响

 只考虑腔长失调因素下建立了反射率模拟测量的理论模型。根据高斯光束传输规律分析了腔长失调对衰荡腔模式耦合的影响，推导了腔长失调与谐振腔输出脉冲信号、衰荡信号与反射率之间的关系，模拟了腔长失调在±10mm范围内的光脉冲衰荡现象。结果表明：对于光敏面直径为0.2mm的高速探测器，为了保证10^-6的测量精度，腔长的失调量应控制在±1mm之间。在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器和动态范围较大的探测器，可以提高测量精度。     

光学元件失调对光腔衰荡高反射率测量影响的理论分析

在利用光反馈光腔衰荡技术测量大口径光学元件反射率及其均匀性分布时,需要对光学元件进行二维扫描测量,而在扫描过程中光学元件的倾斜失调将对测量结果造成影响.本文根据失调谐振腔光束传输增广矩阵,通过数值运算模拟了在对称共焦腔和一般稳定腔情况下,光反馈衰荡腔结构中由样品倾斜失调引起的输出腔镜上光斑中心位置变化以及对反射率测量的...     

光学元件失调对光腔衰荡高反射率测量影响的理论分析

在利用光反馈光腔衰荡技术测量大口径光学元件反射率及其均匀性分布时,需要对光学元件进行二维扫描测量,而在扫描过程中光学元件的倾斜失调将对测量结果造成影响.本文根据失调谐振腔光束传输增广矩阵,通过数值运算模拟了在对称共焦腔和一般稳定腔情况下,光反馈衰荡腔结构中由样品倾斜失调引起的输出腔镜上光斑中心位置变化以及对反射率测量的影响.仿真结果表明:对称共焦腔情况下,输出腔镜上奇数次光斑无漂移,偶数次光斑漂移量为固定值|在一般稳定腔情况下,输出腔镜上奇偶数次光斑均往复振荡漂移.分析表明,该系统对样品失调角度的敏感程度与样品在腔内的位置以及腔长有关,通过改变样品在腔内位置,选择适当腔长以及包络拟合法可以减小样品失调对测量结果的影响.     

2.7～3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7～3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7～3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7～3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。     

光腔衰荡法测量高反射率的实验研究

基于光腔衰荡光谱技术，建立了以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置，该装置可用于精密测量全固体激光器高反射率腔镜的反射率，检测得到了高反腔镜在946nm的反射率。实验测得平凹镜和平面镜衰荡时间的平均值分别为1．624μs和821ns，平凹镜的反射率为99．794％，相对误差精确到10^-5；平面反射镜的反射率为99．800％，相对误差精确到10^-4。结果表明，光腔衰荡法可用于高反射率腔镜反射率的测量，与分光光度计测得的结果相比，具有非常高的测量精度。     

用扫描激光频率腔衰荡对超低损耗镜片的测量

超低损耗光学镜片(超镜)是构建高品质光学腔和进行许多光学测量的重要器件,对损耗在百万分之一水平的高质量镜片的测量是一个重要的课题.通过在扫描腔长的情况下调节腔的起振模式,然后在腔的TEM00模式附近扫描激光频率实现了注入激光和腔的TEM00模的有效匹配;以迟滞比较电路触发下的光开关控制注入光场的方式获得了连续激光光腔衰荡信号;实验中完成了同一批损耗在10-6量级的超高反射率镜片的批量测量.实测最高反射率镜片的反射率为(99.99914±0.00004)%,测量精度优于10-6.结果表明对于同一批相同工艺生产以及相同存储环境存放的超镜,其损耗也存在较大差异.     

光在吸收介质中的传播速度对光腔衰荡测量精度的影响

利用光腔衰荡法测量吸收系数时,光在吸收介质中的传播速度和空腔是不同的,这种区别导致测量精度在一定程度上受到影响.为了考察吸收系数的测量精度受光速变化的影响程度,进行了相关的分析和推导,并根据实验及部分文献提供的数据进行了数值计算,得到了忽略光速变化将导致测量结果偏小的结论,偏差值与腔镜反射率有关.当腔镜反射率达到99.99%时,就有必要考虑该因素的影响,除非实际测量中存在其它因素使测量精度远不能达到最高值.     

用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.     

高精细度光学参考腔的自主化研制

高精细度超稳光学参考腔是获得超窄线宽激光的核心部件.本文报道了面向空间应用的高精细度球形超稳光学参考腔自主化研制及其初步测试结果.设计球形腔体直径为80 mm,腔长78 mm,采用平-凹腔镜结构,凹镜曲率半径为0.5 m.使用有限元方法计算了该参考腔的震动敏感度,最佳支撑位置的震动敏感度小于1×10~(-10)/g.采用超光滑表面三级抛光技术实现光学表面粗糙度小于0.4 nm(rms)的超精密加工,采用双离子束溅射法实现工作波长反射率大于99.999%、损耗小于4 ppm腔镜镀膜,干式光胶方法键合腔体和腔镜.利用扫腔线宽法和腔衰荡法对参考腔的线宽和精细度进行了测量,结果表明该参考腔的精细度约为195000,线宽为9.8 kHz.将698 nm半导体激光器锁定到该参考腔上测得其损耗5 ppm.与实验室进口同类型参考腔相比较,主要性能指标与其相当.     

测量大口径光学元件反射率用精密扫描系统误差分析

为测量高能激光传输系统中大口径高反射率光学元件的反射率,设计了一种大口径光学元件二维扫描的精密测量系统。介绍了该系统的结构及其工作原理,分析了影响系统测量精度的因素,从理论上分析了扫描系统的系统误差对测量精度的影响,结果表明在垂直于光束传播方向上,水平偏差在0.29 mm时,测量误差在10-6量级;腔长的变化量较小时,可通过对衰荡腔腔镜的调节,实现对旋转轴偏差的补偿及对系统的精细调节。通过拟合处理光强与时间的数据得到对应的一次指数函数拟合曲线,并通过计算得到衰荡时间和反射率,经过对比分析可知,该误差分析方法能比较有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。     

光外差腔衰荡光谱理论研究

提出了简化的光外差腔衰荡光谱技术，避免了通常腔衰荡光谱对衰荡时间的直接测量，同时消除了腔镜损耗的共模直流信号的测量.理论上其测量灵敏度可以达到量子噪声极限，而且技术实现相对简单，更适合于分子振转光谱研究.此外，还在理论上分析了该光谱技术具有的Gauss线型的一次微分光谱线型的特点，并讨论了一些实验参量对谱线强度和线型的影响，进而给出了最佳实验参量. 关键词： 光外差 腔衰荡光谱     

复合衰荡光腔技术精确检测COIL腔镜高反射率

 采用直型和折叠型衰荡光腔相结合技术精确检测了COIL(氧碘化学激光器)平面高反腔镜在1.315μm的实际反射率为99.931%, 测量精度10^-5。该技术对镜片的反射镜角度、基底材料透光性能及尺寸无特殊要求, 可由反射率相对较低的腔镜测量高反射率镜片。     

非本征敏感法布里-珀罗腔高精度光纤液位传感器输出特性

依据光学法布里珀罗(F-P)腔基本原理,分析了非本征敏感法布里珀罗腔光纤液位传感器工作原理及设计方案。实验结果表明,传感器具有良好的多周期输出特性和局部的线性特性,但法布里珀罗腔输出光强幅度随腔长增大逐渐衰减,传感器输出特性曲线中不同部分相同长度的线性工作区间却对应不同的测量量程和灵敏度。改变传感头中敏感组件的尺寸可满足对不同液位测量的需要。本传感器最大量程为20 m,精度为±0.5 mm,最小分辨力为0.3 mm。传感器特别适用于对易燃易爆液位精确测量,具有很强的实用性。     

环形腔振动敏感度的研究

为了降低环形腔的环境振动敏感度,设计了一个四柱支撑环形腔。利用有限元数值模拟的方法,通过改变支柱的支撑位置和支柱直径,对环形腔进行数值模拟,得到了环形腔光程变化量随各参数变化的关系曲线。结果表明,通过选择适当的支撑位置和支柱直径,可以使得光程变化量趋近零,光程对振动不敏感。该方法对于高稳定环形腔的设计具有重要的指导意义。     

Optimisation of laser linewidth and cavity alignment in off-axis cavity-enhanced absorption spectroscopy

Laser linewidth affects baseline mode structured variations and hence measurement absorption sensitivity in off-axis cavity enhanced absorption spectroscopy with a continuous-wave tunable laser and a stable optical cavity formed by two high reflectivity mirrors. Cavity transmittances have been calculated for various laser linewidths and different optical beam re-entrant conditions for the cavity when overlapping of the optical beams occurs on the cavity mirrors after a finite number of beam round trips within the cavity. It is shown that in order to achieve maximum absorption sensitivity both a specific laser linewidth and specific arrangement of the optical cavity have to be selected and defined using the proposed approach.     

基于光线追迹的单频激光多重回馈效应研究

提出一种基于非准直平凹回馈腔的单频激光多重回馈光线追迹模型,采用该模型阐明了单频激光多重回馈效应的产生机理,分析了多重回馈高分辨率条纹的特性,明确了影响多重回馈条纹形状的主要因素,包括回馈镜的倾角、曲率半径、反射率以及回馈外腔长等,获得了回馈镜在不同倾角时的有效回馈阶次及其耦合系数。光线追迹分析与实验结果表明:当回馈镜倾斜角为1.7时,多重回馈效应会产生调制幅度均匀、没有大包络的高分辨率回馈条纹,每个条纹的分辨率可达/50。     

各向异性外腔微片Nd:YAG激光器调频回馈研究

研究了在各向异性外腔下微片Nd:YAG激光器调频回馈特性.作为对比,首先给出了在各向同性外腔下调频回馈结果,激光器输出功率的半波条纹数正比于外、内腔长度之比.在回馈外腔中内置一个四分之一波片,激光偏振态发生规律性跳变,每个纵模带宽内的偏振跳变次数正比于外、内腔长之比,相同外腔长下,回馈条纹再次倍频.进行了基于法布里-珀罗腔等效模型的理论分析,结果和实验相符合.此现象在精密测量领域有潜在应用. 关键词： 光回馈 调频回馈 各向异性外腔 半波条纹数