基于寬譜半導(dǎo)體激光器連續(xù)激光光腔衰蕩法測量高反射率

基于寬譜半導(dǎo)體激光器連續(xù)激光光腔衰蕩法測量高反射率

1窄譜連續(xù)激光光腔衰蕩法光腔衰減光譜技術(shù)（crsd）是一種高靈敏度吸收光譜技術(shù)，通常用于測量氣體的微吸收。當(dāng)腔內(nèi)未充氣體時(shí),可精確測量高反射率。連續(xù)激光光腔衰蕩光譜技術(shù)(CW-CRDS)于1980年由Herbelin等提出,以窄譜連續(xù)激光為光源,采用衰減相移技術(shù)得到反射率測量精度達(dá)0.01%。1992年Rempe等用窄譜連續(xù)激光器作為光源,同時(shí)用壓電陶瓷(PZT)調(diào)制腔長,采用閾值觸發(fā)方式探測光腔指數(shù)衰減輸出,得到反射率99.99984%。窄譜連續(xù)激光光腔衰蕩法需調(diào)制腔長或調(diào)諧激光波長以保證足夠的能量耦合進(jìn)光腔,裝置較為復(fù)雜。與窄譜激光相比,寬譜激光可激發(fā)衰蕩腔的多個(gè)本征縱模,確保激光耦合進(jìn)光腔,并連續(xù)輸出,裝置簡單。采用脈沖激光光腔衰蕩法測量高反射率,成本高,且測量精度受脈沖激光光束質(zhì)量差、激光腔內(nèi)模式競爭等因素的限制。而連續(xù)激光光腔衰蕩光譜技術(shù)可采用半導(dǎo)體激光器,大大降低了測量成本,且光束質(zhì)量高(TEM00基模),更有利于提高測量精度。而且半導(dǎo)體激光器波長覆蓋范圍大,便于連續(xù)激光光腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)用于各種波段高反鏡反射率的測量。2光腔衰蕩信號(hào)檢測基本原理連續(xù)激光光腔衰蕩法原理如圖1所示,采用方波調(diào)制連續(xù)激光,在腔內(nèi)多次反射后的輸出為與調(diào)制方波同頻率的周期信號(hào),相對(duì)于入射方波信號(hào),存在相位延遲和振幅衰減。連續(xù)激光經(jīng)方波調(diào)制,可展開為Isqr(t)=12+2πΣk=1∞1ksin(kπ2)cos(kω0t)(1)Ιsqr(t)=12+2πΣk=1∞1ksin(kπ2)cos(kω0t)(1)方波振幅歸一化。式中ω0為調(diào)制角頻率,k為奇次整數(shù)。此線性系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為單指數(shù)衰減函數(shù),方波調(diào)制連續(xù)激光光腔輸出信號(hào)可歸一化為I(t)=1τ∫t?∞Isqr(t′)e?(t?t′)/τdt′=12+2πΣk=1∞1k(1+k2ω20τ2)sin(kπ2)×[cos(kω0t)+kω0τsin(kω0t)],(2)Ι(t)=1τ∫-∞tΙsqr(t′)e-(t-t′)/τdt′=12+2πΣk=1∞1k(1+k2ω02τ2)sin(kπ2)×[cos(kω0t)+kω0τsin(kω0t)],(2)式中τ為衰蕩時(shí)間,大小取決于腔長和光腔總損耗(包括透射、吸收、衍射和散射等因素),對(duì)于高反鏡,可表示為τ=Lc(1?R+αL),(3)τ=Lc(1-R+αL),(3)其中R=R1R2?????√,R1,R2R=R1R2,R1,R2為兩腔鏡的反射率,α為除透射外的其他損耗,L為腔長。對(duì)于奇次諧波Ik(t)=I1cos(kω0t+?),(4)Ιk(t)=Ι1cos(kω0t+?),(4)其振幅和相位分別表示為I1=2kπ1+k2ω20τ2√,(5)tan?=?kω0τ,(6)Ι1=2kπ1+k2ω02τ2,(5)tan?=-kω0τ,(6)若探測一次諧波的相位,則與Engeln等結(jié)論一致。(5),(6)式表明,可由振幅和相位隨調(diào)制頻率的變化曲線擬合得到衰蕩時(shí)間,當(dāng)忽略除透射外的其他損耗時(shí),由(3)式可得到腔鏡反射率R。光腔的頻譜透射函數(shù)近似為梳狀函數(shù),其周期為光腔的自由光譜范圍νF=c/2L。若激光頻率ν與光腔諧振頻率νc(νc=nνF,即自由光譜范圍的整數(shù)倍)共振,激光在腔內(nèi)形成駐波,該頻率的光強(qiáng)理論透過率為1。當(dāng)激光譜寬Δν<νF(使用窄帶激光器情況)時(shí),激光頻率無法自動(dòng)與光腔諧振頻率共振。實(shí)驗(yàn)上可采用壓電陶瓷調(diào)制腔長來達(dá)到共振,此時(shí)耦合進(jìn)光腔的激光功率迅速增加?？焖儆|發(fā)關(guān)掉壓電陶瓷,可探測到光腔指數(shù)衰減型輸出信號(hào)。當(dāng)使用寬譜激光器時(shí),激光譜寬Δν?νF,此時(shí)總有多條激光譜線與光腔諧振頻率共振,因此無需調(diào)制腔長即可實(shí)現(xiàn)共振,從而探測到光腔衰蕩信號(hào)。使用寬譜激光器同時(shí)也減小了腔長和波長漂移產(chǎn)生的輸出功率起伏及其對(duì)反射率測量的影響。3激光模式與腔本征橫模匹配實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。光源為半導(dǎo)體激光器(MellesGriot56ICS115/HS,中心波長828nm,標(biāo)稱譜寬3nm,TEM00模輸出功率100mW),由函數(shù)發(fā)生器方波調(diào)制。望遠(yuǎn)系統(tǒng)使激光模式與衰蕩腔的本征橫模相匹配。氦氖激光器輔助調(diào)節(jié)光路。兩塊相同的平凹鏡鍍制高反膜,中心波長828nm,膜系Sub/10(HL)H/Air(Sub:石英,H:TiO2,L:SiO2),采用電子槍蒸發(fā)沉積方式,腔鏡設(shè)計(jì)反射率99.94%,Lambda-900測量值99.9%±0.3%。兩塊高反鏡組成穩(wěn)定腔,激光在腔內(nèi)來回多次反射,由Si探測器接收光腔衰蕩信號(hào)。當(dāng)光腔為穩(wěn)定腔,激光模式與腔本征模匹配時(shí),光腔損耗最小,才能得到最佳測量結(jié)果。信號(hào)一次諧波的相位和振幅隨調(diào)制頻率的變化由鎖相放大器記錄。4衰蕩時(shí)間和腔鏡反射率測量精度分析圖3(a),(b)分別為10kHz,50kHz調(diào)制時(shí),連續(xù)激光光腔衰蕩法時(shí)域衰蕩波形及方波參考信號(hào)。時(shí)域信號(hào)為與調(diào)制方波同頻率的周期函數(shù)。當(dāng)調(diào)制頻率較低時(shí),相位延遲較小,波形近似為方波。隨著調(diào)制頻率升高,相位變化增大,信號(hào)波形逐漸接近三角波。光腔輸出信號(hào)一次諧波的相位和振幅由鎖相放大器記錄。圖4描述了不同腔長的相位正切值與調(diào)制角頻率的線性關(guān)系,斜率的絕對(duì)值為衰蕩時(shí)間。在單個(gè)調(diào)制頻率下,可根據(jù)相位值直接計(jì)算出對(duì)應(yīng)的衰蕩時(shí)間和反射率,因此相位正切值擬合所得結(jié)果為多個(gè)調(diào)制頻率下的平均值,可以減小測量誤差。如圖5所示,由振幅與調(diào)制角頻率的關(guān)系曲線擬合可得衰蕩時(shí)間,振幅由入射波振幅歸一化,橫坐標(biāo)取對(duì)數(shù)坐標(biāo)。表1給出了不同腔長下分別由振幅和相位擬合得到的衰蕩時(shí)間和腔鏡反射率。不同腔長時(shí)測量的腔鏡反射率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為99.70%±0.01%。同時(shí)根據(jù)(3)式,衰蕩時(shí)間與腔長為正比關(guān)系,通過線性擬合也可以得到腔鏡反射率為99.700%,誤差為0.006%。不同腔長情況下得到的反射率結(jié)果一致,表明實(shí)驗(yàn)中腔長可能的失諧量對(duì)測量結(jié)果的影響較小。光腔衰蕩法測量精度非常高。當(dāng)忽略衰蕩腔內(nèi)吸收、散射等損耗時(shí),腔鏡反射率R=1-L/cτ,則其測量精度ΔR=(1-R)(-ΔL/L+Δτ/τ),反射率越高,其測量精度也越高。實(shí)驗(yàn)中|ΔL/L||ΔL/L|<0.5%,|Δτ/τ||Δτ/τ|<2.0%,,腔鏡反射率99.7%對(duì)應(yīng)ΔR<7.5×10-5,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。若用反射率為99.99%的腔鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn),相同實(shí)驗(yàn)條件下誤差則降到ΔR<2.5×10-6。5測量誤差利用基于寬譜半導(dǎo)體激光器連續(xù)激光光腔衰蕩法對(duì)中心波長為828nm的腔鏡進(jìn)行了測量,得到反射率的測量結(jié)果為99.70%,誤差小于0.01%,與Lambda-900測量結(jié)果一致。在光腔衰蕩法