用光腔衰荡技术测量镜片的反射率

 根据光腔衰荡光谱技术原理，建立了测量镜片反射率的实验装置。利用该装置测定了一对反射率相等的高反射腔镜，反射率测试结果为（99.925±0.001）%;以22.5°将直腔变为折叠腔，测得的反射率为（99.992±0.003）％。重复测定反射镜样品的反射率，精度达到10^－5。该测量装置可用于超低损耗薄膜高反射镜反射率的精确测量。轻微移动探测器位置，对腔镜的测试结果影响不大。     

COIL腔镜高反射率精密测量系统的可靠性分析

 利用光腔衰荡光谱技术，建立了氧碘化学激光器腔镜高反射率的精密测量系统。对用直型衰荡光腔时可能影响测量系统精度的各种因素进行了系统的实验研究。采用直型和折叠型衰荡光腔，检测了氧碘化学激光器高反腔镜在1.315μm的反射率。实验测得COIL凹面高反腔镜反射率为99.770％；平面高反镜反射率为99.917%，测量精度约为10^-5。结果表明，该系统可以精密测量氧碘化学激光器腔镜的高反射率，测量结果精确可靠。     

腔增强吸收光谱技术中的腔镜反射率标定方法研究

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点,是高灵敏吸收光谱技术的重要分支之一,在其应用过程中,腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素。利用2.0 μm可调谐二极管激光器作为光源搭建了一套腔增强吸收光谱测量系统,使用两片反射率为99.9%的高反镜作为腔镜,以CO₂气体在5 001.49 cm-1处的吸收谱线作为研究目标,对两种简单实用的腔镜反射率标定方法进行了对比研究。第一种标定方法利用已知程长多通池作为参考池,通过测量谐振腔和多通参考池的输出吸收信号,比较二者的吸收率推导出腔增强系统中的有效吸收路径,然后通过镜片反射率和有效吸收路径的关系对腔镜反射率进行标定;第二种标定方法根据理想气体状态方程得到气体分子数密度,并结合数据库中的谱线线强值,实现了对腔镜反射率进行标定。结果表明,方法一中积分腔与参考池测得信号的积分吸收面积之比为10.5,经过多次测量并计算得到积分腔的有效吸收路径与镜片的反射率分别为302.65 m和99.85%,得到大气中CO₂气体的浓度为0.037 3%,与实际大气CO₂的含量相符合,验证了此方法的准确性;该方法的优点是不受样品浓度影响,但因引入新的参考池,需要两池中气体的压强和温度都保持一致,此方法适用于开放式的腔体结构。方法二中测得大气中CO₂分子位于5 001.49 cm-1处吸收光谱,并结合大气中CO₂气体的分子数密度N为9.099×1015 molecule·cm-3,Hitran数据库中该条谱线线强为3.902×10-22 cm·molecule-1,计算得到镜片反射率约为99.84%;此方法优点是结构相较前一种方法更简单,但需要已知被测气体的分子数密度,因此在配置气体的过程中浓度、压力的误差会影响腔镜反射率的标定。由此可见两种镜片标定方法均可精确实现对腔镜反射率的标定,根据两种方法的特点,在实际应用中可选取相应适合的方法作为参考。     

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。     

腔增强吸收光谱技术中镜片反射率的标定

为确定光学腔内高反射率镜片的反射率随波长的变化,分别采用不同气体瑞利散射的差异性和已知浓度的吸收气体对同一对高反射率镜片的反射率随波长变化曲线进行标定.结果表明:高反射率镜片在359~380nm光谱区间内反射率曲线为0.99962~0.99990,两种方法标定结果的相关系数达到0.998,具有较高的一致性.用腔增强吸收光谱实验装置与商用氮氧化物分析仪同时对实际大气NO2进行测量,验证了镜片反射率标定的准确性.     

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。     

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。     

基于LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术探测HONO和NO2

介绍了基于近紫外发光二极管LED (中心波长约372 nm,半高宽13 nm) 光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术,同时用于探测痕量气体HONO和NO₂. LED出射光经准直后耦合进入长度为70 cm,由两块高反射率镜片组成的高精密光学腔内. 分别测量了氮气消光谱和氦气消光谱,通过两者瑞利散射截面的差异而引起光谱强度的变化来标定镜片反射率.在360—390 nm反演波段内,镜片反射率在390 nm处最大且为0.99962, 对应测量NO₂/HONO混合物时的最大光程约1.71 km,并利用最小二乘拟合反演出了 HONO和NO₂的浓度值.当光谱采集时间为1000 s时, HONO和NO₂的探测灵敏度(1σ) 分别为0.6 ppbv和1.9 ppbv.实验结果表明,该技术为实现大气痕量气体的高灵敏度在线监测提供了另一种可能的途径.     

SR-FEL宽带腔镜与双带腔镜光学膜系实验研究与研制

利用“电子束蒸发沉积薄膜生长技术+离子束溅射沉积薄膜生长技术”、“HfO₂/SiO₂+Al₂O₃/SiO₂+M-SiO₂”复合光学膜系设计技术、400°C4h高温处理技术, 研制的SR-FEL宽带腔镜光学膜系在355nm中心波长的绝对光学反射率测量值为R(355nm)=99.45%, 反射光谱带宽测量值为Δλ(R≥99.00%)=75nm; 研制的355nm/248nm双带腔镜光学膜系, 在355nm中心波长, 其绝对光学反射率测量值为R(355nm)=99.69%, 反射光谱带宽测量值为Δλ(R≥99.00%)=59nm; 在248nm中心波长, R(248nm)=98.21%, 绝对光学反射率光谱带宽测量值Δλ(R≥99.00)=9mm, Δλ(R≥98.00%)=33nm.     

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.     

中红外光参变振荡器在高反射率测量中的应用

根据光腔衰荡光谱技术(CRDS)原理,使用中红外光参变振荡器(OPO)为光源建立了直腔与折叠腔相结合的中红外波段3.6 μm 反射率测量实验装置,用于研究中红外波段的高反射膜反射率,测试精度为10-4。使用直型衰荡光腔测试了三对不同薄膜材料设计镀制的高反射腔镜的反射率,并选择了一对腔镜用于实验装置中。采用该装置精确测试了不同薄膜材料镀制的高反射膜的反射率,包括YbF3/ZnS,YbF3 /ZnSe多层膜,以及由银加保护膜镀制的反射镜。研究表明,中红外波段介质膜的反射率可达到R>0.9990,其中由YbF3/ZnSe镀制在硅基底上的多层介质膜3.6 μm反射率可达到99.96％。     

High-reflectivity measurement with a broadband diode laser based cavity ring-down technique

A simple cavity ring-down technique employing a cw broadband diode laser is described for the reflectivity measurements of highly reflective mirrors. Due to the broad line width of the diode laser, the laser beam can be continuously injected into the ring-down cavity without tuning the cavity length or the laser frequency. Both Fourier- and time-domain data-processing approaches are developed to determine the reflectivity. In the Fourier domain, the amplitudes and phase shifts of the first and third harmonics of a periodic ring-down signal are measured as a function of the modulation frequency covering an appropriate range. The cavity decay time and the reflectivity of the cavity mirror are determined by minimizing a mean square variance containing both the amplitude and phase-shift error terms. On the other hand, in the time domain, the cavity decay time and the instrumental response time are determined simultaneously by fitting the measured waveforms of the cavity ring-down signals to a rigorous time-domain model via a multi-parameter fitting procedure. The reflectivity measurements are repeated at four cavity lengths and all the results obtained with both data-processing approaches are in excellent agreement. The reflectivity of cavity mirrors near 830 nm is statistically determined to be 0.99797 with an uncertainty less than 3×10^-5. PACS 07.60.Hv; 42.60.Da; 42.55.Px     

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。     

Optical feedback cavity ring-down technique for accurate measurement of ultra-high reflectivity

A novel cavity ring-down (CRD) technique, based on the optical feedback effect of Fabry–Perot diode lasers, is developed for accurate reflectivity measurement of highly reflective cavity mirrors. The strong optical feedback, including the direct reflection from the front cavity mirror of a linear ring-down cavity, is re-injected into the oscillator cavity of the diode laser, and large resonant peaks are observed in the ring-down cavity output signals. The diode laser is switched off by a threshold circuit when the amplitude of a resonant peak exceeds a pre-defined threshold. Exponentially decayed signals recorded immediately after switching off the laser are used to determine the cavity decay time. The ultra-high reflectivity of cavity mirrors is measured to be 99.99606% with a reproducibility of 0.00003%. Compared with the previous phase-shift CRD technique, the signal-to-noise ratio of the cavity output signals is improved with an enhancement factor of over 100.     

基于扫描激光的腔增强吸收光谱研究

介绍了一种建立在半导体激光扫描基础上的腔增强吸收光谱技术。简要介绍了从衰荡吸收光谱技术向腔增强吸收光谱的发展及腔增强吸收光谱的实验装置,实验证明能够将 DFB 型半导体激光与高精密光学谐振腔相结合,用简单的实验装置进行高灵敏、高分辨直接吸收光谱测量。实验中,激光器的输出波长用一台波长计精确测量,当激光器的输出频率与某一腔模的频率共振时,激光被耦合到一个用两块高反射率平凹透镜(在 1.572μm 附近,R~0.994)组成的 34cm 长的高精密光学谐振腔,通过测量激光透过谐振腔后的光强,得到了二氧化碳分子在6358.654cm-1附近的吸收光谱,探测灵敏度达到了 1.2×10-5cm-1。     

Continuous wave dye laser pumped by a HeNe laser

Continuous wave operation of a dye laser pumped at 633 nm by a HeNe laser is reported. A jet of a cooled solution of Oxazine 1 in ethanol was used as the laser medium in an asymmetric spherical cavity. With mirrors of high reflectivity a threshold as low as 10 mW could be achieved.     

Cavity ring-down technique for measurement of reflectivity of high reflectivity mirrors with high accuracy

A simple, accurate and reliable method for measuring the reflectivity of lasergrade mirrors (R > 99.5%) based on cavity ring-down (CRD) technique has been successfully demonstrated in our laboratory using a pulsed Nd:YAG laser. A fast photomultiplier tube with an oscilloscope was used to detect and analyse the CRD signal. The cavity decay times were measured for three cavities formed by a combination of three mirror pairs. The absolute reflectivities R ₁, R ₂, R ₃ were determined to be 99.94%, 99.63%, 99.52% at normal incidence. The reflectivity of mirrors is measured to an accuracy of 0.01%.