本发明专利技术涉及一种基于环形腔光腔衰荡技术测量高反射光学元件前向和背向散射的方法，通过采用三通道光腔衰荡技术同步测量输出腔镜透射的、待测光学元件在一定立体角内前向散射以及背向散射的光腔衰荡信号。在三路光腔衰荡信号的衰荡时间一致时通过两路散射信号各自与透射信号幅值的比值和输出腔镜的透射率计算待测光学元件在环形腔中的前向与背向在一定立体角内的散射值。本方法可以在环形腔中直接测得待测元件在谐振腔工作时真实的散射值，并且由于采用光腔衰荡技术具备散射测量的灵敏度高、测量精度高、测量结果不受环境杂散光影响等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于测量环形腔中腔镜光学特性的，特别涉及一种基于光腔衰荡技术在环形腔中直接测量腔镜的前向与背向散射损耗的方法。
技术介绍
1、激光陀螺作为目前获得最为广泛应用的高精度惯性仪表，与传统的机电陀螺相比，激光陀螺不需要高速转子，是新一代具备灵敏度高、可靠性高、精度高、动态范围大、寿命长等优点理想的捷联式惯性传感器。环形腔是激光陀螺的核心光学器件，激光陀螺的精度与性能主要受其环形腔的损耗以及背向散射的影响。其中环形腔背向散射系数决定了激光陀螺的锁区，散射的大小是影响激光陀螺性能的一个重要参数。在装配激光陀螺腔镜前，能够准确测量腔镜在环形腔中真实的散射大小来对腔镜进行筛选，能够准确、定量的提供测量依据变得尤为重要。
2、环形腔背向散射的测量一般采用积分散射法测量单个腔镜表面的背向散射，利用积分球收集以入射光束为中心的小孔径立体角内的背向散射光束，并利用光电倍增管检测单个镜片的背向散射光，此信号幅值表征背向散射大小；传统的背向散射测量方法存在以下三个问题：1)此方法测量的仅仅是单个待测腔镜的背向散射，而不是综合背向散射的大小，无法准确反映待测腔镜在环形谐振腔中工作时真实的散射情况；2)利用检测cw光束和cww光束强度来计算得到综合背向散射大小的实验装置复杂、成本高；3)杂散光影响，在散射较弱时，杂散光的影响变得不可忽略。对于高反射光学元件，其散射值一般较弱(低于100ppm，甚至低于10ppm)，这些问题导致如此低的散射测量结果存在非常大的误差，无法准确评估高反射光学元件在环形腔中实际工作时的散射特性。
r/>技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：克服基于传统积分散射法测量环形腔单个腔镜表面背向散射的不足，采用三通道光腔衰荡技术同时测量待测腔镜在环形腔中实际工作时的前向散射与背向散射值，同时根据光腔衰荡时间特性得到环形腔的总损耗。通过光腔衰荡在腔内能量的积累实现散射探测灵敏度增强，利用高反射输出腔镜低的透过率使用绝对法标定待测光学元件在环形腔中前向与背向散射提高测量精度，同时光腔衰荡的时间特性可以消除环境和光源杂散光对测量的影响，实现散射高灵敏、高精度的测量。其具体实现步骤如下：
2、步骤(1)、测量激光器1束腰位置与大小，使用ccd相机测量激光在不同空间位置的光斑大小，利用高斯光束的传输特性对激光在不同位置的光斑大小进行拟合，计算得到激光的束腰位置与大小；计算耦合透镜4的焦距以及需要放置的位置，激光经过耦合透镜4实现激光器与环形谐振腔的横模匹配，即激光器1转换后的束腰与环形谐振腔束腰位置重合，大小相同。
3、步骤(2)、建立三通道光腔衰荡测量装置：光源1选用连续激光器，激光经过声光调制器2，用于当环形腔输出信号大于设定阈值时通过声光调制器截断激光；激光经过平面镜3反射后，经过耦合透镜4实现激光与环形谐振腔的横模匹配，根据光腔衰荡技术，将激光注入到稳定环形谐振腔；由两块高反射的平面腔镜5、6和两块高反射的球面反射腔镜7、8构成稳定环形谐振腔，其中腔镜6为输出镜，入射激光光束通过平面镜5注入环形谐振腔，并在谐振腔内振荡；同步探测三路光腔衰荡信号：(1)从输出腔镜6透射的光信号经过可切换的光学衰减片14以及聚焦透镜15聚焦到第一光电探测器16探测；(2)从待测腔镜7沿着激光传播方向的正向散射的光信号经过离轴抛物镜对10和11聚焦到第二光电探测器18探测，带小孔的离轴抛物镜10让腔内激光束穿过并收集前向散射，离轴抛物镜11将收集的前向散射聚焦到第二光电探测器18中；(3)从待测腔镜7逆着激光传播方向的背向散射经带小孔的离轴抛物镜9收集，背向散射经聚焦透镜13聚焦到第三光电探测器17探测，背向散射的立体角大小经过可调光阑12调节；背向散射信号很小，光电探测器17需要使用灵敏度高的光电光电探测器探测背向散射信号。
4、步骤(3)、调节腔镜俯仰角使腔内振荡；光电探测器16输出的电信号连接到阈值触发电路21；在光电探测器16输出的电信号幅值达到阈值触发电路21设定的阈值电压时，阈值触发电路发送给声光调制器2对应关断的信号沿达到截断激光器的效果，产生光腔衰荡信号；第一光电探测器16、第二光电探测器18和第三光电探测器17同步记录从输出腔镜6的透射、待测腔镜7的前向散射与背向散射的光腔衰荡信号，探测的光腔衰荡信号由数据采集卡19采集，并送入计算机20进行数据处理；分别按照单指数衰荡函数(a1为光腔衰荡信号幅值，b1为直流偏置，t为时间，τ1为衰荡时间)拟合输出腔镜6透射的光腔衰荡信号，得到透射衰荡信号幅值a1和衰荡时间τ1；按单指数衰荡函数(a2为光腔衰荡信号幅值，b2为直流偏置，t为时间，τ2为衰荡时间)拟合待测腔镜7前向散射的光腔衰荡信号，得到前向散射衰荡信号幅值a2和衰荡时间τ2；按单指数衰荡函数(a3为光腔衰荡信号幅值，b3为直流偏置，t为时间，τ3为衰荡时间)拟合待测腔镜7背向散射的光腔衰荡信号，得到背向散射衰荡信号幅值a3和衰荡时间τ3。
5、步骤(4)、对三路光电探测器进行标定；第一与第二光电探测器是同类型探测器，直接将同一光源分别聚焦到光电探测器上，两者的幅值比即为第一光电探测器与第二光电探测器的校准因子m12；第三探测器17是灵敏度高的光电倍增管，标定时需要借助前向散射来间接标定，先用第二光电探测器18测得前向散射的大小，再将第三探测器放在第二光电探测器18的位置上再次测量前向散射值，根据两者测量的前向散射值应该相同来标定第三光电探测器与第二光电探测器的比值，由前面已经测的第一与第二光电探测器的校准因子，可以得到第一与第三光电探测器的校准因子m13。
6、步骤(5)、通过下述公式计算得到待测腔镜7在一定立体角的前向与背向散射值；前向散射值s1＝m12×(a2/a1)×10od×t，其中od为光学衰减片14的光学密度，t为输出腔镜6的透过率；背向散射值s2＝m13×(a3/a1)×10od×t。
7、步骤(6)、调节可调光阑12的口径改变对应背向散射收集的立体角，测量不同收集立体角时的散射值，得到一定立体角范围内散射与收集立体角的关系曲线。
8、其中,所述三路光腔衰荡信号的衰荡时间τ1、τ2、τ3的差别应满足|τ1-τ2|/τ1≤5％，|τ1-τ3|/τ1≤5％。
9、其中,所述的带小孔的离轴抛物镜来收集散射可以使用带小孔的平面镜替换，离轴抛物镜使用时需要将其放在距离待测镜的焦距处，而使用带小孔的平面镜收集散射位置不会受到限制。
10、其中,所述输出腔镜的透过率t采用楔形高透射光学元件和变角度光腔衰荡方法准确测量。
11、其中，所述的光学衰减片采用中性密度滤光片，其光学密度已知或者通过分光光度法准确测量；所述光学衰减片只在光电探测器输出电信号达到饱和时使用，以避免光电探测器信号饱和影响测量；实际使用时根据实际情况可选择在待测镜前向散射或者背向散射探测器前使用合适光学密度的光学衰减片。
12、其中，根据光腔衰荡时间特性，可以计算得到环形腔的总损耗值。
13、其中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其实现步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述三路光腔衰荡信号的衰荡时间τ1、τ2、τ3的差别应满足|τ1-τ2|/τ1≤5％，|τ1-τ3|/τ1≤5％。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述的带小孔的离轴抛物镜来收集散射可以使用带小孔的平面镜替换，离轴抛物镜使用时需要将其放在距离待测镜的焦距处，而使用带小孔的平面镜收集散射位置不会受到限制。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述输出腔镜的透过率T采用楔形高透射光学元件和变角度光腔衰荡方法准确测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述的光学衰减片采用中性密度滤光片，其光学密度已知或者通过分光光度法准确测量；所述光学衰减片只在光电探测器输出电信号达到饱和时使用，以避免光电探测器信号饱和影响测量；实际使用时根据实际情况可选择在待测镜前向散射或者背向散射探测器前使用合适光学密度的光学衰减片。
6.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：根据光腔衰荡时间特性，可以计算得到环形腔的总损耗值。
7.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述的前向与背向散射测量值为一定立体收集角范围的部分积分散射值，可以利用背向散射与收集立体角的测量曲线从理论上拟合得到被测镜实际的背向散射值。
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【技术特征摘要】
1.一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其实现步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述三路光腔衰荡信号的衰荡时间τ1、τ2、τ3的差别应满足|τ1-τ2|/τ1≤5％，|τ1-τ3|/τ1≤5％。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述的带小孔的离轴抛物镜来收集散射可以使用带小孔的平面镜替换，离轴抛物镜使用时需要将其放在距离待测镜的焦距处，而使用带小孔的平面镜收集散射位置不会受到限制。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形腔光腔衰荡技术的反射光学元件前向和背向散射绝对测量方法，其特征在于：所述输出腔镜的透过率t采用楔形高透射光学元件和变角度光腔衰荡方法准确测量。
【专利技术属性】
技术研发人员：李斌成，王超人，王静，崔浩，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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