基于可调谐激光的光谱透过率测试系统及方法与流程

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于可调谐激光的光谱透过率测试系统及方法。

背景技术：

对于高精度待测样品(4)技术应用领域，尤其是光学薄膜元件，对光谱性能测试的需求如下：在低损耗薄膜元件技术需求中，要求薄膜元件的反射率或透射率达到99.99％以上；在分光和滤光薄膜元件中，要求薄膜元件的光谱波长精确定位、深度截止、高陡度、高分色性能等。光学元器件透过率、反射率是光学系统的重要参数，对于系统总体性能具有重要影响，传统的分光光度计在某些技术应用领域已经无法满足测试需求。

传统采用分光光度计测量元器件透过率，由于分光光度计采用非相干的卤钨灯作为光源，通过光栅分光获得窄线宽输出，存在诸多缺点，不能满足实际应用需求：1)方向性差，存在锥角效应，用于角度敏感型元器件透过率测试时，测量结果准确性差；2)光束大小随传播距离增加明显，不适用于大尺寸元器件透过率测量；3)单色亮度低，测量动态范围小，不适用于低透过率元器件测量。人们在高反射率薄膜元件的测试上，随着超低损耗光学镀膜技术的发展，基于不同测试原理和方法的各种低损耗测试装置和仪器也迅速地出现，主要的有时间衰减法、频率扫描法及振幅调制法等。时间衰减法测量无源谐振腔的损耗是指将激光光波入射到待测无源谐振腔上，当腔内建立起稳定的激光振荡之后迅速切断光源，谐振腔的输出光强将会逐步衰减，根据光强的衰减方程推导出薄膜的总损耗。对于超低透过率的测试，目前也没有成熟的商用仪器和公开的标准方法，因此如何解决超低透过率的光谱测试仍存在急需解决的问题。

综上所述，在高精度待测样品发展的需求下，如何解决高精度薄膜元件的低透过率光谱测试是限制目前高精度待测样品制造技术发展的关键，诸如超高透过率的减反射薄膜元件、宽光谱深截止的滤光薄膜元件等，对超低透过率的光谱测试需求仍然迫切。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提出一种基于可调谐激光器透过率光谱测试系统及方法，在可见光波段可以实现透过率低于0.1％的光学薄膜元件测试

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于可调谐激光的光谱透过率测试系统，所述光谱透过率测试系统包括：可调谐激光器1、分束镜2、双孔斩波器3、第一光衰减片6、第二光衰减片7、探测器8、第一全反射镜5、第二全反射镜9、第三全反射镜10、第四全反射镜11、第五全反射镜12、第六全反射镜13、第七全反射镜14；

其中，所述可调谐激光器1发出的单束光经分束镜2分成测量路和参比路两束激光，分束镜2的反射光束为参比路，透射光束为测量路；两束激光均通过双孔斩波器3调制，使两路激光的重频不相同；

经双孔斩波器3调制的分束镜2的透射光束经待测样品4、第一衰减片6、第四全反射镜11、第五全反射镜12进入探测器8；

经双孔斩波器3调制的分束镜2的反射光经第二全反射镜9、第三全反射镜10、第二衰减片7、第七全反射镜14、第六全反射镜13进入探测器8；

探测器8用于将进入的两路激光转换成电信号；利用锁相放大器可将电信号中两路光的信号分别提取出来，利用两路光信号的强度比值计算出待测样品4的透过率。

其中，所述系统还包括：旋转样品台15；

所述旋转样品台15上放置待测样品4，组成可旋转的样品平台，与第一衰减片6构成样品池。

其中，所述系统还包括：补偿平移平台16；

所述补偿平移平台16用于搭载第四全反射镜11。

其中，所述分束镜2用于将入射光分成两路光强比稳定的激光。

其中，所述双孔斩波器3上设有两个孔，让连续光或准连续光穿过这两个孔，可以将连续光或准连续光调制成两路重频不同的光。

此外，本发明还提供一种基于可调谐激光的光谱透过率测试方法，所述方法基于上述光谱透过率测试系统来实施，所述方法中：

在单角度固定波长透过率测试时：在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设为定值，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为透过率测试过程的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15的角度，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

其中，在单角度波长扫描透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路与参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设为一段波长范围，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15旋转角度，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

其中，在多角度单波长透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设置成定值，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15旋转角度和旋转步长，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，自动的将本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后探测器8得到的读数为待测样品4的透过率。

其中，在多角度波长扫描透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设为一段波长范围，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15旋转角度和旋转步长，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

其中，在厚样品透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，设定可调谐激光器1的输出波长，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定入射角度，调整补偿平移平台16，使测量路的激光进入探测器8，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

(三)有益效果

本发明提供一种可见光波段超低透过率待测样品的光谱测试方法，与现有技术相比，本发明的优点在于应用范围更广，测量结果可信度更高，尤其是适用于角度敏感元器件、大尺寸元器件以及极低透过率元器件透过率的测量。

附图说明

图1为本发明技术方案的光路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于可调谐激光的光谱透过率测试系统，如图1所示，所述光谱透过率测试系统包括：可调谐激光器1、分束镜2、双孔斩波器3、第一光衰减片6、第二光衰减片7、探测器8、第一全反射镜5、第二全反射镜9、第三全反射镜10、第四全反射镜11、第五全反射镜12、第六全反射镜13、第七全反射镜14；

其中，所述可调谐激光器1发出的单束光经分束镜2分成测量路和参比路两束激光，分束镜2的反射光束为参比路，透射光束为测量路；两束激光均通过双孔斩波器3调制，使两路激光的重频不相同；

经双孔斩波器3调制的分束镜2的透射光束经待测样品4、第一衰减片6、第四全反射镜11、第五全反射镜12进入探测器8；

经双孔斩波器3调制的分束镜2的反射光经第二全反射镜9、第三全反射镜10、第二衰减片7、第七全反射镜14、第六全反射镜13进入探测器8；

探测器8用于将进入的两路激光转换成电信号；利用锁相放大器可将电信号中两路光的信号分别提取出来，利用两路光信号的强度比值计算出待测样品4的透过率。

其中，所述系统还包括：旋转样品台15；

所述旋转样品台15上放置待测样品4，组成可旋转的样品平台，与第一衰减片6构成样品池。

其中，所述系统还包括：补偿平移平台16；

所述补偿平移平台16用于搭载第四全反射镜11。

其中，所述分束镜2用于将入射光分成两路光强比稳定的激光。

其中，所述双孔斩波器3上设有两个孔，让连续光或准连续光穿过这两个孔，可以将连续光或准连续光调制成两路重频不同的光。

此外，本发明还提供一种基于可调谐激光的光谱透过率测试方法，所述方法基于上述光谱透过率测试系统来实施，所述方法中：

在单角度固定波长透过率测试时：在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设为定值，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为透过率测试过程的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15的角度，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

其中，在单角度波长扫描透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路与参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设为一段波长范围，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15旋转角度，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

其中，在多角度单波长透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设置成定值，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15旋转角度和旋转步长，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，自动的将本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后探测器8得到的读数为待测样品4的透过率。

其中，在多角度波长扫描透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，将可调谐激光器1的输出波长设为一段波长范围，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定旋转样品台15旋转角度和旋转步长，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

其中，在厚样品透过率测试时：

在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器8，设定可调谐激光器1的输出波长，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将测量路与参考路光强比作为光谱透过率测试系统统的参考百线值；

然后放入待测样品4，设定入射角度，调整补偿平移平台16，使测量路的激光进入探测器8，运行光谱透过率测试系统，探测器8获取两束光路的光强，将探测器8本次的测量结果除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到待测样品4的透过率。

实施例1

本实施例提供一种基于可调谐激光的光谱透过率测试系统与方法，其目的在于解决高精度低透过率，大尺寸、对角度灵敏待测样品(4)的光谱测试问题。

采取的技术方案是：

1)利用可调谐激光器作为光源，代替传统的钨灯或氘灯。

2)利用分束镜将由可调谐激光器发出的单束光分束为两路激光，由于激光束大小随距离变化不明显，所以将两路光之间的距离拉开，进而实现对大尺寸元器件透过率的测量；

3)利用双孔斩波器将分束后的两路激光调制成不同重频的激光。将两路低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理，从而避开低频段的1/f的噪声影响。

4)利用探测器将测量路和参考路两路激光的光信号转换成电信号，获取的电信号传输给锁相放大器，锁相放大器将探测器探测获得的电信号中两路不同重频激光的信号提取出来，再进行信号处理。

实施例2

本实施例利用可调谐激光器1输出波长连续可变的激光，经分束镜2分成测量路和参比路两束激光，分束镜的反射光为参比路的光源，透射光为测量路的光源；两束激光均通过双孔斩波器3调制，使两路激光的重频不相同；经双孔斩波器调制的两束激光分别经待测样品4、衰减片6、全反射镜11、12进入探测器8，以及经全反射镜9、10、衰减片7、全反射镜14、13进入探测器8，探测器8能够将两路激光转换成电信号；利用锁相放大器可将电信号中两路光的信号分别提取出来，利用两路光信号的强度比值计算出待测元器件的透过率。

整个透过率光学系统平台分上下两层，上层为测量光路子系统，下层为控制子系统。可调谐激光器1，分束镜2，双孔斩波器3，全反镜5、9、10安装在第一矩形腔体底板上，旋转样品台15，和衰减片6、7安装在第二矩形腔体底板上，补偿平移平台16，全反镜11、12、13、14和光电探测器8位于第三矩形腔内。腔体与腔体由腔体壁上的圆孔连接，待测样品的样品台由步进电机的驱动可以0°～360°旋转实际工作范围为0°～45°，补偿平台由步进电机驱动进行平移补偿，探测器和锁相放大器获取数据以及控制系统均由可编程软件labview实现。

下面详细介绍每个子系统。

1.本发明所用的可调谐激光子系统由电源与控制系统、激光器及其调谐模块等组成。该光源有以下特征：

调谐范围宽：300-900nm(可扩展到2400nm)；

高重频准连续输出；

空间模式好：tem00模输出；

可通过usb实现对激光器输出控制；

光路连接方式：光纤。

2.本发明所用的测量光路子系统可以实现对测量系统光强、偏振、样品测量角度以及分束后重频等的控制，具体如下：

(1)光强控制

光强控制通过电动平移台驱动线性渐变密度衰减片实现，衰减片不同位置对应不同的透过率，透过率变化范围od0.1-4，最高衰减比104。

(2)偏振控制

本系统激光器输出激光近似为各向同性，必须在光路中加入起偏器实现特定偏振方向测量，考虑经过较多反射镜后，激光存在退偏效应，为了能够准确测量某偏振方向的透过率或反射率，采用在样品室和参考样品室入射口处加格兰泰勒棱镜实现精确偏振控制。

(3)分束组件

分束片镀有高精度分光比的膜层，该膜层在不同波长的分光比事先已经精确标定。利用该分束片可以以特定的比例提取输入激光能量，进而实时监测入射激光能量。

3.本发明所用的信号探测子系统用于对光电信号进行采集和处理。其中主要包括探测器、锁相放大器和相关控制软件。

(1)探测器

为了探测可调谐激光器发出的光信号，本发明采用单点探测器。其具有较高的探测灵敏度、较低的噪声、较高的线性度以及较宽的光谱响应范围。

(2)锁相方法器

锁相方法器采用互相关接受技术，可以使仪器抑制噪声的性能提高若干个数量级。另外配合斩波技术，可以把低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理，从而可以避开低频段的1/f的噪声影响。

本发明提供了一种使用可调谐激光器透过率系统测试低透过率待测样品的测试方法。

利用所述可调谐激光器透过率系统可以实现四种测试功能：

a、单角度固定波长透过率测试：在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器光源1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器，将可调谐激光器1的输出波长设为定值，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，二者的比值为参考百线值，然后放入待测样品4，设定样品旋转台的角度，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，将二者的比值除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到的数值为待测样品4的透过率。

b、单角度波长扫描透过率测试：在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器光源1，调整光路，使测量路与参比路的激光进入探测器，将可调谐激光器1的输出波长设定一段波长范围，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，二者的比值为参考百线值，然后放入待测样品4，设定样品旋转台旋转角度，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，将二者的比值除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到的数值为待测样品4的透过率。

c、多角度单波长透过率测试：在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器光源1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器，将可调谐激光器的输出波长设为定值，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，二者的比值为参考百线值，然后放入待测样品，设定样品旋转台旋转角度和旋转步长，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，将二者的比值除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到的数值为待测样品4的透过率。

d、多角度波长扫描透过率测试：在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器光源1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器，将可调谐激光器的输出波长设定一段波长范围，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，二者的比值为参考百线值，然后放入待测样品，设定样品旋转台旋转角度和旋转步长，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，将二者的比值除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到的数值为待测样品4的透过率。

e、厚样品透过率测试：在放入待测样品4之前，打开可调谐激光器光源1，调整光路，使测量路和参比路的激光进入探测器，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，二者的比值为参考百线值，然后放入待测样品，设定入射角度，平移补偿平台，使测量路的激光进入探测器，运行透过率测试系统，探测器8获取测量路和参考路激光的光强，将二者的比值除以放入待测样品4之前得到的参考百线值，最后得到的数值为待测样品4的透过率。

实施例3

本实施例的可调谐激光的光谱透过率测试系统光路原理图如图1所示。

透过率测试系统的测量光路主要包括可调谐激光器1，分束镜2，斩波器3，待测样品4，衰减片6，7以及探测器8。待测样品4放置在一个360°任意角度旋转的电动旋转样品15上，控制旋转样品台的角度，实现多角度测量；反射镜11放置在一个补偿平移平台16上，当待测样品较厚时，平移反射镜11补偿光线平移造成的影响；探测器8能够将两路激光转换成电信号；利用锁相放大器可将电信号中两路光的信号分别提取出来，利用两路光信号的强度比值计算出待测元器件的透过率。

可调谐激光器透过率测试系统中，各个部分的功能及相关参数如下：

1.本发明所用的可调谐激光器为测量系统的光源，调谐范围为300-900nm(可扩展到2400nm)，采用高重频准连续输出，空间模式为tem00模输出；

2.本系统激光器输出激光近似为各向同性，必须在光路中加入起偏器实现特定偏振方向测量，考虑经过较多反射镜后，激光存在退偏效应，为了能够准确测量某偏振方向的透过率或反射率，采用在样品室和参考样品室入射口处加格兰泰勒棱镜实现精确偏振控制。

3.分束片镀有高精度分光比的膜层，该膜层在不同波长的分光比事先已经精确标定。利用该分束片可以以特定的比例提取输入激光能量，进而实时监测入射激光能量。

4.光强控制通过电动平移台驱动线性渐变密度衰减片实现，衰减片不同位置对应不同的透过率，透过率变化范围od0.1-4，最高衰减比104。

第一矩形腔体中包含可调谐激光器，分束镜，双孔斩波器。可调谐激光器发出激光作为光源，经分束镜，双孔斩波器调制，产生两束一定比例重频不同的激光作为测量光和参比光。

第二矩形腔体作为可调谐激光器透过率测试系统装置的样品池和参比池，旋转样品台，衰减片位于第二矩形腔体内，旋转样品台，在电动旋转台的驱动下0-360度任意旋转，实际测量时工作在0-45度；衰减片透过率变化范围od0.1-4，最高衰减比104。测量光和参比光经待测样品和衰减片后，光强发生变化。

第三矩形腔体内有全反射镜、平移补偿平台、探测器，测量光和参比光经全反镜反射进入探测器，探测器根据两束光的光强计算出透过率。当样品较厚时，存在光路平移，会导致探测器处光斑位置飘移，影响测量精度，为克服该问题，本系统采用了平移补偿方法。当光线平移时，相应移动平移台，可以补偿光线平移造成的影响。

上述的分束镜，双孔斩波器，旋转样品台，平移补偿平台，均经过准确的标定，所有的矩形腔体内均采用黑色涂层降低杂散光对测试结果的影响。

控制系统的软硬件：系统的整体控制程序是基于pc机图形化编程软件labview平台下编写的，旋转样品台，衰减片，补偿平移平台由步进电机，操作界面中包含参数设置区，数据显示区和测量结果显示区。参数设置区包括波长，样品厚度，衰减，测量次数，入射角的设置，数据显示区显示的是每次测量时，数据采集器的测量结果。测量结果显示区显示的是每次数据进行处理后的结果及多次结果的平均值。

综上，本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于可调谐激光的光谱透过率测试系统及方法。该系统包括可调谐激光可调谐激光器、分束镜、双孔斩波器、光衰减器、探测器以及全反射镜若干。该系统的测量光路由分束镜分成参考光路和测量光路两部分组成，可调谐激光器发出的单束光经分束镜按一定分光比分光，分别进入参比光路和测量光路，通过斩波器调制后，进入参比池和样品池，最后经全反镜反射，两束光进入探测器。该系统的待测样品放在可以0-360°任意旋转的样品台上，实现了多角度透过率测量，获得样品更加全面的信息；样品较厚时，会造成光路平移，当光线平移时，相应移动平移台，可以补偿光线平移造成的影响，提高了测量精度。此外，可调谐激光器方向性好、光谱辐射功率高(单色亮度高)、动态范围大，所以距离对激光的影响很小。所以故本发明相对于传统分光光度计应用范围更广，测量可信度也更高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。