一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法

本发明涉及一种用于测量光学元件参数的方法，特别涉及一种用于测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法。

背景技术：

1、近年来，高反射率/透过率薄膜光学元件在大型激光系统、激光陀螺、引力波测量和痕量气体检测等领域得到了越来越广泛的应用。目前光腔衰荡技术是精确测量高反射/透射光学元件反射率的主要方法。中国专利申请号98114152.8的发明专利“一种反射镜高反射率的测量方法”、中国专利申请号200710098755.x的发明专利“基于半导体自混合效应的高反射率测量方法”、中国专利申请号200810102778.8的发明专利“基于频率选择性光反馈光腔衰荡技术的高反射率测量方法”都是采用记录光腔衰荡信号，单指数拟合得到衰荡时间，进而得到反射率结果。中国专利申请号201610972470.3的发明专利“一种基于光腔衰荡技术同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的方法”是同时采集两路衰荡信号，单指数拟合得到衰荡时间，进而得到高反射率/透过率结果，通过幅度比值计算得到剩余透过率/反射率。上述方法基于光腔衰荡法测量光学元件的高反射率/透过率时，测量结果受限于光电探测器的动态范围，当信号强度过大导致光电探测器探测信号饱和时，探测器测得的衰荡信号严重失真，单指数拟合失效，无法正常测量。一般在光电探测器饱和时，需安装光学衰减片使得光电探测器在其线性动态范围内工作。对于不同的待测样品，其测量得到的衰荡信号幅值及其饱和程度也不一样，需安装不同衰减倍率的光学衰减片，增加了系统硬件及更换光学衰减片操作环节，从而降低了系统的测量效率；且光学衰减片的衰减率需提前标定，其标定误差也降低了待测样品反射率/透过率的测量精度。

2、本专利作为现有技术的改进，提出了一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，在光电探测器饱和的情况下，采用扣除所测光腔衰荡信号的饱和数据段，只截取未饱和部分的衰荡信号拟合得到衰荡时间和信号幅值，然后利用信号幅值进行比值计算，进而定标得到高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率。该发明无需增加系统硬件，通过数据处理方法，提升了探测器的动态范围，从而提高了系统测量效率和测量范围，同时提高了测量精度。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题为：作为现有技术的完善和补充，提出了一种可在探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，无需增加系统硬件，通过数据处理方法，提升了探测器的动态范围，从而提高系统测量效率和测量范围。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：先测量初始光腔的衰荡信号，按单指数拟合得到初始光腔的衰荡时间τ0，如果信号幅值超过光电探测器饱和电压，先截取未饱和部分的衰荡信号，再按照单指数拟合衰荡时间τ0；然后加入待测高反/高透光学元件形成稳定测试光腔，分别测量从输出腔镜和待测光学元件输出的衰荡信号，单指数拟合得到相应衰荡时间τ1、τ2和信号幅值a1、a2，如果某路所测信号幅值超过探测器饱和电压，先截取未饱和部分的衰荡信号，再单指数拟合得到该路衰荡时间τi和其信号幅值ai；利用衰荡时间计算得到高反射光学元件的反射率或高透射光学元件的透过率，利用信号幅值进行比值计算，进而定标得到高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率。

3、其中，所述的初始光腔可以为直型腔或折叠腔。

4、其中，所述的单指数拟合表达式为y＝aexp(-t/τ)+b，其中y为探测器测得的衰荡信号，τ为谐振腔的衰荡时间，a为衰荡信号幅值，b为直流偏置。

5、其中，所述的用于比值计算的信号幅值a1、a2分别为所测两路衰荡信号拟合曲线在t＝0时刻对应的幅值并去除光电探测器直流偏置的影响，即信号幅值ai为对该路所测衰荡信号直接(未饱和时)或截取未饱部分数据段后(饱和时)做单指数y＝aexp(-t/τ)+b拟合所得的拟合参数a。

6、其中，所述的截取未饱和部分的衰荡信号需根据具体情况扣除衰荡信号初始饱和时段内一定的数据点数，保留有效单指数衰减数据段。

7、其中，所述的扣除衰荡信号初始饱和时段内一定的数据点数，是指幅值偏离光电探测器线性响应范围的衰荡信号数据点，或者高于0.8倍光电探测器饱和电压的衰荡信号数据点。

8、其中，所述的通过衰荡时间计算得到高反射光学元件的反射率或高透射光学元件的透过率计算公式为：或其中c为光速，τ0和τ1分别为初始腔和由输出腔镜输出的衰荡信号拟合得到的衰荡时间，l为腔长，d为被测元件厚度，ns为被测元件基片的折射率。

9、其中，所述的利用信号幅值进行比值计算，进而定标得到高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率具体为：高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率其中，a1和a2分别为由输出腔镜和待测光学元件输出的衰荡信号拟合(未饱和时)或截取后拟合(饱和时)得到的信号幅值a，t0为输出腔镜的透过率，m为两个探测器的响应比值，t0和m需提前实验标定。

10、本发明与现有技术相比的优点在于：

11、(1)、本发明提出了一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，无需增加系统硬件，通过数据处理方法，提高了系统反射率/透过率测量动态范围。

12、(2)、本发明较传统在光电探测器前端放置光学衰减片测量方法相比，无需放置光学衰减片，简化了系统测量步骤，降低了成本，而且无需担心出现衰减倍率过高使得信号过低影响测量精度的问题。

13、(3)、本发明较传统在光电探测器前端放置光学衰减片测量方法相比，消除了因放置光学衰减片引入的衰荡信号幅值比值测量误差，提高了同时测量反射率/透过率的精度。

技术特征：

1.一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：先测量初始光腔的衰荡信号，按单指数拟合得到初始光腔的衰荡时间τ0，如果信号幅值超过光电探测器饱和电压，先截取未饱和部分的衰荡信号，再按照单指数拟合衰荡时间τ0；然后加入待测高反/高透光学元件形成稳定测试光腔，分别测量从输出腔镜和待测光学元件输出的衰荡信号，单指数拟合得到相应衰荡时间τ1、τ2和信号幅值a1、a2，如果某路所测信号幅值超过探测器饱和电压，先截取未饱和部分的衰荡信号，再单指数拟合得到该路衰荡时间τi和其信号幅值ai；利用衰荡时间计算得到高反射光学元件的反射率或高透射光学元件的透过率，利用信号幅值进行比值计算，进而定标得到高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率。

2.根据权利要求1所述的一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：所述的初始光腔可以为直型腔或折叠腔。

3.根据权利要求1所述的一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：所述的单指数拟合表达式为y＝aexp(-t/τ)+b，其中y为探测器测得的衰荡信号，τ为谐振腔的衰荡时间，a为衰荡信号幅值，b为直流偏置。

4.根据权利要求1所述的一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：所述的用于比值计算的信号幅值a1、a2分别为所测两路衰荡信号拟合曲线在t＝0时刻对应的幅值并去除光电探测器直流偏置的影响，即信号幅值ai为对该路所测衰荡信号直接(未饱和时)或截取未饱部分数据段后(饱和时)做单指数y＝a exp(-t/τ)+b拟合所得的拟合参数a。

5.根据权利要求1所述的一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：所述的截取未饱和部分的衰荡信号需根据具体情况扣除衰荡信号初始饱和时段内一定的数据点数，保留有效单指数衰减数据段。

6.根据权利要求1所述的一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：权利要求5所述的扣除衰荡信号初始饱和时段内一定的数据点数，是指幅值偏离光电探测器线性响应范围的衰荡信号数据点，或者高于0.8倍光电探测器饱和电压的衰荡信号数据点。

7.根据权利要求1所述的一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：所述的通过衰荡时间计算得到高反射光学元件的反射率或高透射光学元件的透过率计算公式为：或其中c为光速，τ0和τ1分别为初始腔和由输出腔镜输出的衰荡信号拟合得到的衰荡时间，l为腔长，d为被测元件厚度，ns为被测元件基片的折射率。

8.根据权利要求1所述的一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：所述的利用信号幅值进行比值计算，进而定标得到高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率具体为：高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率其中，a1和a2分别为由输出腔镜和待测光学元件输出的衰荡信号拟合(未饱和时)或截取后拟合(饱和时)得到的信号幅值a，t0为输出腔镜的透过率，m为两个探测器的响应比值，t0和m需提前实验标定。

技术总结
本发明公开了一种可在光电探测器饱和状态下工作的光腔衰荡同时测量高反/高透光学元件反射率和透过率的数据处理方法，其特征在于：先测量初始光腔的衰荡信号，按单指数拟合得到初始光腔的衰荡时间，如果信号幅值超过光电探测器饱和电压，先截取未饱和部分衰荡信号，再单指数拟合得到初始光腔衰荡时间；然后加入待测高反/高透光学元件形成稳定测试光腔，分别测量从输出腔镜和待测光学元件输出的衰荡信号，单指数拟合得到对应衰荡时间和信号幅值，如果所测信号幅值超过光电探测器饱和电压，先截取未饱和部分衰荡信号，再单指数拟合得到衰荡时间和信号幅值；利用衰荡时间计算得到高反射光学元件的反射率或高透射光学元件的透过率，利用信号幅值进行比值计算，进而定标得到高反射光学元件的透过率或高透射光学元件的反射率。本发明无需在光路上安装衰减片使探测器测量电压保持在其动态范围之内，减少了衰减片标定与选择环节，消除了由于衰减片插入导致的测量误差，提升了测量精度。

技术研发人员：韩艳玲,王静,崔浩,李斌成
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31