专利名称：一种实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种对光学薄膜元件性能参数的测量方法，特别涉及一种光学薄膜元件吸收损耗的绝对测量方法。
背景技术：
光学薄膜已成为现代光学系统中不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接影响着光学系统的工作性能。吸收损耗是衡量光学薄膜性能的一个重要参数，特别是在高功率激光系统中，它已经成为光学系统传输功率进一步提高的瓶颈。吸收损耗不仅能引起光学薄膜元件的热畸变，使激光束的光束质量降低，还会降低薄膜抗激光损伤的能力，限制激光器和激光系统中所能输出和传输的最高功率。薄膜吸收损耗的准确测量尤其是绝对测量对于优化膜层设计和镀膜工艺以提高薄膜元件的性能十分重要。目前，激光量热法是测量光学元件吸收损耗的国际标准，其最大的优点是能直接测量吸收损耗的绝对值，不需要定标，测量灵敏度高，且装置简单，调节方便。缺点是响应较慢，时间和空间分辨率低，不便于实现高分辨率成像，一般也不适合测量大尺寸薄膜元件(李斌成，熊胜明等，激光量热法测量光学薄膜微弱吸收[J]，中国激光，2006，33 (6) 823-826)。在吸收损耗测量技术中，光热技术由于其非接触性、灵活性、灵敏度高等优点已获得较为广泛的应用，特别是在弱吸收测量中，以表面热透镜技术、光热偏转技术等为代表的光热技术已逐渐被人们接受。这几种光热技术均需通过标准样品定标实现吸收损耗的绝对测量，其结果的准确性受限于定标样品与测量样品材料性质的相似程度。专利“一种测量光学薄膜吸收损耗的方法”(申请人李斌成，郝宏刚，申请号 200710118694. 9，公开号CN101082537，2007年)中提出的方法，在文献中被称为光热失调技术(Photothermal Detuning Technique)，该方法利用测试样品的反射或透射光谱随温度变化而发生漂移的现象，通过测量光谱带边沿某波长激光反射率或透射率的变化间接研究光学薄膜对加热光束的吸收情况。在该技术实验测量系统中，通常采用两束激光的构型，一束激光作为加热光束，一束激光作为探测光束，其中探测激光的波长通常选取在所研究样品反射或透射光谱带的边沿斜率较大位置处，以便提高测试的灵敏度。理论和实验研究可知，该技术的光热信号与加热激光的功率成正比，且与加热光束的调制频率、样品表面两光束光斑的相对位置和探测光束的入射角度等均有关系，其测试灵敏度在有些条件下高于表面热透镜技术(Honggang Hao and Bincheng Li，Photothermal detuning for absorption measurement of optical coatings[J]， Applied Optics，2008，47(2) 188-194 ；郝宏刚，李斌成，刘明强.表面热透镜与光热失调技术测量光学薄膜吸收的灵敏度比较[J]，中国激光，2009，36 O) :467-471) 0前期的研究工作中，并没有对该方法实现吸收损耗的绝对测量问题进行探讨。由于该方法依赖于样品反射或透射光谱的漂移现象，若采用定标样品的方法实现吸收损耗的绝对测量，必须寻找光谱和材料光学热学性质相同的标准样品，将极大的限制该方法在绝对测量方面的应用，因此，结合光热失调技术的理论和实验，寻找实现绝对测量的方法对该技术的进一步应用至关重要。
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因此急需一种实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法。本发明的目的是提出一种是通过理论和实验结合来实现光学薄膜元件样品吸收损耗的绝对测量的方法。本发明的目的是这样实现的本发明提供的一种实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，包括以下步骤Sl 根据被测光学薄膜元件的反射率或透射率随温度变化的规律，拟合获得探测光波长位置反射率或透射率与温度变化之间的线性关系A，所述线性关系A的表达式为R = kiAT+Ro,其中R为被测光学薄膜元件的反射率或透射率，R0为初始温度无变化时的反射率或透射率，Δ T为温度变化值，Ic1为比例系数；S2:采用一束激光作为加热光束照射到被测光学薄膜元件上，选择一束波长靠近所述的光学薄膜元件反射或透射带边缘的(功率毫瓦级或更低的低功率)连续激光作为探测光束，与加热光束照到被测光学薄膜元件的相同或相邻位置，由光电探测器监测被测光学薄膜元件的反射或透射的全部探测光强度的变化，拟合获得反射率或透射率与加热光束功率之间的线性关系B，所述线性关系B的表达式为R = k2P+R0,其中，P为加热光功率，k2为比例系数；S3 根据线性关系A和线性关系B，得到温度变化与加热光束功率之间的线性关系 C，所述线性关系C为ΔΤ = (Vk1) ‘ P,其中，k2/\为比例系数；S4:将已知光学和热学参数的光学薄膜元件作为已知样品，测量已知样品的表面加热光斑大小以及对加热光束的反射率或透射率，从而得到已知样品的温度变化与加热光束功率之间的线性关系D，所述线性关系D的表达式为AT = k3P，其中，k3为比例系数；S5 通过调整已知样品对加热光束的吸收率，使线性关系D与线性关系C相同，即比例系数k3和比例系数k2/X相同，获得被测光学薄膜元件对加热光束的吸收率。进一步，所述步骤Sl中通过窄带滤色片领域分析光谱温度性的高桥模型获得反射率或透射率与温度变化的线性关系A ；进一步，所述步骤S2中的激光为强度周期性调制的(功率瓦级或以上的高功率) 连续激光光束或脉冲激光光束；进一步，所述加热光功率不同时的被测光学薄膜元件的反射率或透射率实验中通过以下公式来获得
V +V,R =
dc
其中，Va。表示为实验测到的交变信号幅值，Vdc表示为实验测到的直流信号幅值；进一步，所述步骤S4中测量已知样品的表面加热光斑大小以及对加热光束的反射率或透射率，然后根据热传导方程获得样品表面温度的变化；进一步，所述光学薄膜吸收损耗为弱吸收状态，保证各种关系的线性度；进一步，当加热光束为连续激光时，采用锁相放大器记录光电探测器输出电流或电压信号的一次谐波振幅和相位，通过定标得到被测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况；当加热光束为脉冲激光时，采用数字存储示波器或数据采集卡记录光电探测器输出电流或电压信号随时间的变化过程，通过定标得到待测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况；进一步，所述光电探测器前设置有一聚焦透镜，将薄膜元件反射或透射的探测光全部会聚到探测器的接收面上，得到反射或透射光强度的实时变化；进一步，当探测激光束相对于被测光学薄膜元件表面的入射角使反射或透射光偏振分离显著时，在探测器前面加偏振片，可实时探测反射或透射偏振光强度的变化。本发明的优点在于(1)实现了样品吸收损耗的绝对测量，为光热失调技术的进一步应用奠定了基础。(2)该方法将理论与实验相结合，与采用标准样品定标的其他光热技术定标方法相比，可操作性强，精确度高。(3)在最优条件下，依赖于光热失调技术的灵敏度，该方法可以实现对所测元件吸收损耗绝对测量的面吸收高分辨率成像，提高吸收测量的空间和时间分辨率。本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中图1为实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量方法流程图；图2为理论计算得到的反射率与温度变化的关系示意图；图3为实验装置示意图；图4为实验测量获得的反射率与加热光功率的关系示意图；图5为理论计算得到的温度与加热光功率的关系示意图。
具体实施例方式以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。图1为实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量方法流程图，如图所示本发明提供的一种实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，包括以下步骤Sl 根据被测光学薄膜元件的反射率或透射率随温度变化的规律，拟合获得反射
6率或透射率与温度之间的线性关系A，通过窄带滤色片领域分析光谱温度性的高桥模型获得探测光波波长位置反射率或透射率与温度变化的线性关系A，所述线性关系A的表达式为R = ^AT+Rq,其中R为被测光学薄膜元件的反射率或透射率，R0为初始温度无变化时的反射率或透射率，Δ T为温度变化值A1为比例系数；如图2所示，图2为理论计算得到的反射率与温度变化的关系示意图；S2 根据专利“一种测量光学薄膜吸收损耗的方法”(申请人李斌成，郝宏刚，申请号200710118694. 9，公开号CN101082537，2007年)中提出的方法，建立实验系统，如图3 所示，图3为实验装置示意图；加热激光光源的输出光束经分束镜后通过斩波器调制后，经透镜1聚焦到被测样品即光学薄膜元件的表面，从探测激光光源输出的光束经反射镜转向后由透镜2聚焦入射到被测薄膜元件的表面被加热激光束照射的相同区域，从样品表面反射或透射的探测激光束由透镜3会聚到光电探测器的接收面上，得到光电探测信号。同时斩波器的输出信号连接至锁相放大器作为参考信号。光电探测器探测反射或透射探测光的直流量由示波器读出及其交流变化量加热光源为连续调制激光束时由锁相放大器读出。采用连续激光加热的方式，或者采用一束强度周期性调制的(功率瓦级或以上的高功率)连续激光光束或脉冲激光光束作为加热光束照射到被测光学薄膜元件上，选择一束波长靠近所述的光学薄膜元件反射或透射带边缘的(功率毫瓦级或更低的低功率)连续激光作为探测光束，与加热光束照到被测光学薄膜元件的相同或相邻位置，在最优条件下， 改变加热光源输出功率，当加热光束为连续激光时，采用锁相放大器记录光电探测器输出电流或电压信号的一次谐波振幅和相位，通过定标得到被测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况；当加热光束为脉冲激光时，采用数字存储示波器或数据采集卡记录光电探测器输出电流或电压信号随时间的变化过程，通过定标得到待测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况；所述加热光功率不同时的被测光学薄膜元件的反射率或透射率通过以下公式来
获得
权利要求
1.一种实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于包括以下步骤51根据被测光学薄膜元件的反射率或透射率随温度变化的规律，拟合获得探测光波波长位置反射率或透射率与温度变化之间的线性关系A，所述线性关系A的表达式为R = Ic1 Δ T+R0,其中R为被测光学薄膜元件的反射率或透射率，R0为初始温度无变化时的反射率或透射率，Δ T为温度变化值，Ic1为比例系数；52采用一束激光作为加热光束照射到被测光学薄膜元件上，选择一束波长靠近所述的光学薄膜元件反射或透射带边缘的(功率毫瓦级或更低的低功率)连续激光作为探测光束，与加热光束照到被测光学薄膜元 件的相同或相邻位置，由光电探测器监测被测光学薄膜元件的反射或透射的全部探测光强度的变化，拟合获得反射率或透射率与加热光束功率之间的线性关系B，所述线性关系B的表达式为R = k2P+R0,其中，P为加热光功率，k2为比例系数；53根据线性关系A和线性关系B，得到温度变化与加热光束功率之间的线性关系C，所述线性关系C为ΔΤ = (k2/X) · P，其中，k2/\为比例系数；S4:将已知光学和热学参数的光学薄膜元件作为已知样品，测量已知样品的表面加热光斑大小以及对加热光束的反射率或透射率，从而得到已知样品的温度变化与加热光束功率之间的线性关系D，所述线性关系D的表达式为ΔΤ = k3P,其中，k3为比例系数；S5 通过调整已知样品对加热光束的吸收率，使线性关系D与线性关系C相同，即比例系数k3和比例系数k2/\相同，获得被测光学薄膜元件对加热光束的吸收率。
2.根据权利要求1所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 所述步骤Sl中通过窄带滤色片领域分析光谱温度性的高桥模型获得反射率或透射率与温度变化的线性关系A。
3.根据权利要求2所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 所述步骤S2中的激光为强度周期性调制的(功率瓦级或以上的高功率)连续激光光束或脉冲激光光束。
4.根据权利要求3所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 所述加热光功率不同时的被测光学薄膜元件的反射率或透射率实验中通过以下公式来获得V +V, R = (^―^-YR0,dc其中，Va。表示为实验测到的交变信号幅值，Vdc表示为实验测到的直流信号幅值。
5.根据权利要求4所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 所述步骤S4中测量已知样品的表面加热光斑大小以及对加热光束的反射率或透射率，然后根据热传导方程获得样品表面温度的变化。
6.根据权利要求5所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 所述光学薄膜吸收损耗为弱吸收状态，保证各种关系的线性度。
7.根据权利要求6所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 当加热光束为连续激光时，采用锁相放大器记录光电探测器输出电流或电压信号的一次谐波振幅和相位，通过定标得到被测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况；当加热光束为脉冲激光时，采用数字存储示波器或数据采集卡记录光电探测器输出电流或电压信号随时间的变化过程，通过定标得到待测光学薄膜元件吸收损耗及其实时变化情况。
8.根据权利要求7所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 所述光电探测器前设置有一聚焦透镜，将薄膜元件反射或透射的探测光全部会聚到探测器的接收面上，得到反射或透射光强度的实时变化。
9.根据权利要求8所述的实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，其特征在于 当探测激光束相对于被测光学薄膜元件表面的入射角使反射或透射光偏振分离显著时，在探测器前面加偏振片，可实时探测反射或透射偏振光强度的变化。
全文摘要
本发明公开了一种实现光学薄膜元件吸收损耗绝对测量的方法，首先通过理论分析样品的反射率或透射率随温度变化的规律，拟合获得探测光波波长位置反射率或透射率与温度变化之间的线性关系A，建立实验系统，得到反射率或透射率随加热光功率变化的规律，拟合获得反射率或透射率与加热光功率之间的线性关系B，从而获得温度变化与加热光功率之间的线性关系C，然后，在实验测得样品表面加热光斑大小以及样品对加热光反射率或透射率的基础上，通过理论计算获得温度变化与加热光功率之间的线性关系D，最后通过调整样品对加热光的吸收率，使线性关系D与线性关系C相同，即可获得样品对加热光功率的吸收率绝对值，该方法可以较为简便的实现测量光学薄膜吸收损耗的绝对值。
文档编号G01M11/02GK102445328SQ20111028854
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者尹波, 李斌成, 王斌, 谭菲, 郝宏刚, 阮巍 申请人:重庆邮电大学