面向光學器件透反射率測量的聲光調(diào)制型激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計

苗少峰，李晨旭，高　苗，邵曉鵬*，史學舜，劉玉龍，劉長明，趙　坤，陳海東

(1.西安電子科技大學 物理與光電工程學院，陜西 西安 710071;2.中國電子科技集團公司 第四十一研究所，山東 青島 266555)

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面向光學器件透反射率測量的聲光調(diào)制型激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計

苗少峰1，李晨旭1，高苗1，邵曉鵬1*，史學舜2，劉玉龍2，劉長明2，趙坤2，陳海東2

(1.西安電子科技大學 物理與光電工程學院，陜西 西安 710071;2.中國電子科技集團公司 第四十一研究所，山東 青島 266555)

在各類光學系統(tǒng)設(shè)計過程中，由于實驗系統(tǒng)對于光學器件的透反射率要求不同，需要確定光學器件的透反射率。本文設(shè)計了一種對光學器件的透反射率進行精準測量及標定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對激光光源進行聲光調(diào)制，使得激光輸出功率的穩(wěn)定度顯著提高，避免了測量時光源不穩(wěn)定帶來的較大誤差。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定光源輸出功率，穩(wěn)定度維持在0.05%/h，甚至更高的水平，滿足了光學器件透反射率測量的誤差小，精度高等要求。

透反射率；聲光調(diào)制；激光功率穩(wěn)定

1　引　言

光學器件的透反射率是評價光學器件的一個重要參數(shù)。在各類光學系統(tǒng)設(shè)計過程中，由于系統(tǒng)對于光學器件的透反射率要求不同，有必要對光學器件的透反射率進行精準地測量。常用的測量方法或?qū)Ｓ脙x器對于光學器件透反射率的測量精度普遍局限在0.1%～5%的水平[1]。

通常測量光學器件透反射率的方法可分為光強測量法和雙光束差動法兩大類，此外還有基于諧振腔特性測試法等。這些方法在實際測量過程中要么不能完全消除光源功率波動對實驗結(jié)果的影響，使得測量精度不夠高，誤差較大；要么測量條件有限制，不能對某些特定條件下的光學器件進行透反射率的測量。

目前，市場上對于光學器件透反射率的測量儀器主要有橢偏計、分光光度計、ST座、DF透反儀等，這些儀器分別存在價格昂貴、計算復雜、誤差較大等諸多缺點[2-3]。

鑒于此，本文在考慮了現(xiàn)今測量方法誤差較大、操作困難等諸多因素之后，設(shè)計了一種基于聲光調(diào)制的光學器件透反射率測量系統(tǒng)，從輸出光源方面出發(fā)解決測量系統(tǒng)對光學器件的透反射率測量精度不高的技術(shù)問題，并且系統(tǒng)操作相對簡單，實現(xiàn)了對光學器件透反射率的精確測量及可靠標定[4-5]。

2　系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計原理

2.1系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)主要由連續(xù)激光器、光路控制室、測量轉(zhuǎn)臺、測量模塊、光電放大模塊和反饋控制模塊組成[6-8]。系統(tǒng)中，連續(xù)激光器，用于輸出連續(xù)的激光信號；光路控制室，用于將接收到的連續(xù)激光信號分為反射激光信號和透射激光信號，同時接收反饋控制模塊輸出的超聲波信號，實現(xiàn)對連續(xù)激光信號的功率實時調(diào)節(jié)；測量轉(zhuǎn)臺，用于固定待測光學器件；測量模塊，用于將接收到的透射激光信號進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為測量電壓信號；光電放大模塊，用于將接收到的反射激光信號，進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號；反饋控制模塊，與光電放大模塊和光路控制室相連接，將接收到的反饋電壓信號進行運算處理，得到超聲波信號并輸出到光路控制室中，利用聲光調(diào)制穩(wěn)定激光輸出功率。系統(tǒng)構(gòu)成及原理如圖1所示[9-11]。

圖1　透反射率測量系統(tǒng)組成 Fig.1　Tansmissivity and reflectivity measuring system

2.2系統(tǒng)模塊組成

根據(jù)實驗系統(tǒng)以及待測光學器件對光源的不同要求，選取對應的連續(xù)激光器作為本測量系統(tǒng)的光源。

光路控制室垂直設(shè)置在連續(xù)激光器輸出的激光光路中，依次包括排列的光闌、第一偏振片、聲光調(diào)制器、第二偏振片和分束鏡(如圖2所示)。其中光闌用于濾除偏振片反射的激光，避免對激光器可能帶來的損害；第一偏振片，用以滿足聲光調(diào)制器對入射激光信號在偏振方面的使用要求，第二偏振片用于消除激光偏振方向?qū)Ψ质R的分光比例的影響，從而實現(xiàn)了分光比例恒定的目標，進而通過功率穩(wěn)定模塊對輸出的線偏振光進行功率穩(wěn)定，達到更好的穩(wěn)定效果；聲光調(diào)制器在接收到反饋控制模塊輸入的調(diào)制信號后，用于實時調(diào)節(jié)“0”級光的功率輸出，實現(xiàn)功率穩(wěn)定的目的；分束鏡用于將已穩(wěn)定的激光分束，一路反射進入光電放大模塊進行后續(xù)的反饋控制，一路透射作為激光輸出，用于光學器件透反射率的測量。

圖2　光路控制的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2　Schematic diagram of the optical path control

光電放大模塊包括衰減片、反饋探測器和電流放大器(如圖3所示)。反饋探測器采用基于GaP的互阻放大光電探測器，其對150～550 nm的紫外到可見光波段敏感，并具備探測性能穩(wěn)定、暗電流小、探測精度高、響應時間短等優(yōu)點。該反饋探測器的光敏面大于激光信號光斑的面積，以保證反饋探測器能夠準確測量激光信號的功率。反射激光信號進入光電放大模塊，垂直經(jīng)過衰減片，將激光功率減少到反饋探測器可承受的范圍內(nèi)，然后進入反饋探測器進行光電轉(zhuǎn)換，輸出電流信號經(jīng)過電流放大器后輸出為電壓信號[12]。

圖3　光電放大模塊的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3　Schematic of the photoelectric amplifier module

反饋控制模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA電路、單片機模塊和聲光驅(qū)動器(如圖4所示)，反饋電流放大器輸出的電壓信號進入反饋控制模塊，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸出為24位串行數(shù)字信號，F(xiàn)PGA電路接收該數(shù)字信號，并輸出為實時功率數(shù)字信號及電壓信號，根據(jù)采樣得到的激光功率值設(shè)定系統(tǒng)的輸出功率，設(shè)定功率值一般為該采樣功率值的70%～90%之間的某一數(shù)值，此時開啟聲光驅(qū)動器的電源使聲光調(diào)制器處于工作狀態(tài)，將設(shè)定功率值與實時采樣功率值做差運算得到實時功率偏差值，PID控制算法利用此偏差信號計算得到實時的控制電壓數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，該模擬電壓信號調(diào)制聲光驅(qū)動器的輸出射頻信號的功率，將調(diào)制后的射頻信號加載在聲光調(diào)制器上改變輸出的1級激光的衍射效率，實現(xiàn)了對0級光信號功率的穩(wěn)定控制。由于FPGA芯片實現(xiàn)PID控制算法所需時間很短，故可將功率調(diào)節(jié)過程看做實時進行，其中實時功率數(shù)字信號發(fā)送給單片機模塊并顯示[13]。

圖4　反饋控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.4　Schematic diagram of the feedback control module

測量轉(zhuǎn)臺包括自下而上設(shè)置的固定裝置、水平旋轉(zhuǎn)臺和夾持裝置。夾持裝置用于固定待測光學器件，安裝在水平旋轉(zhuǎn)臺上，并可以繞固定裝置水平旋轉(zhuǎn)。測量時，將待測光學器件放置在光路控制室輸出的透射激光信號光路中，調(diào)節(jié)水平旋轉(zhuǎn)臺可以改變透射激光信號入射到待測光學器件表面的角度。

測量模塊包括測量探測器、測量電流放大器和六位半數(shù)字萬用表(如圖5所示)。在測量光路測量轉(zhuǎn)臺上未放置待測光學器件時，透射激光信號進入垂直放置在光路中的測量模塊，經(jīng)過測量探測器進行光電轉(zhuǎn)換，輸出電流信號經(jīng)過測量電流放大器后輸出為電壓信號，使用六位半數(shù)字萬用表采集該電壓信號，即可得到此時測量光路上的功率E1；在測量光路測量轉(zhuǎn)臺上放置待測光學器件后，測量透過光學器件或經(jīng)過光學器件反射得到的激光功率E2/E3，根據(jù)公式T=E1/E2計算得到該光學器件的透射率T，根據(jù)公式R=E1/E3計算得到該光學器件的反射率R。

圖5　測量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.5　Schematic diagram of measuring module

2.3系統(tǒng)工作原理

連續(xù)激光器輸出功率波動較大的激光信號，經(jīng)過第一偏振片后的激光信號通過處于工作狀態(tài)的聲光調(diào)制器后發(fā)生布拉格衍射，原來的激光信號被分為0級光和1級光信號；使用第二光闌將1級光信號濾除，本系統(tǒng)只使用0級光信號。0級光信號通過第二光闌后達到空間濾波器；空間濾波器改變了輸入激光信號的光斑能量密度分布，其輸出的激光信號的光斑能量實現(xiàn)了均勻分布，使得該系統(tǒng)應用不局限在光學器件透反射率的測量，亦可以應用于光輻射計量等領(lǐng)域。輸出的激光經(jīng)過分束鏡時將部分激光信號反射進入光電放大模塊后輸出電壓信號作為反饋控制器的輸入信號，另一部分透射輸出作為系統(tǒng)的輸出激光信號，使之通過測量光路；再利用探測器測得在測量轉(zhuǎn)臺上未放置光學器件及放置后的激光功率，然后計算得到光學器件的透反射率[14-15]。

3　系統(tǒng)搭建及實驗結(jié)果分析

3.1激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)中，最主要的部分即激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)，如圖6所示。實驗過程中，將反饋探測器與反饋探測器之前的分束鏡垂直放置，在分束鏡的透射路中加入與反射路中同型號的功率探測器并調(diào)節(jié)好光路，待激光功率系統(tǒng)正常工作，得到輸出功率穩(wěn)定的激光后，將光學器件通過固定件固定在激光輸出和光功率探測的光路之間，并調(diào)整所在光路直到滿足實驗要求，即可通過插入光學器件前后測量的激光功率得到光學器件透反射率。

圖6　激光功率穩(wěn)定系統(tǒng) Fig.6　Laser power stabilization system

3.2實驗數(shù)據(jù)分析

實驗使用波長為266 nm和379 nm的線偏振激光器作為輸入光源，激光功率經(jīng)過電流放大后，被六位半數(shù)字萬用表采集并存儲。每次實驗采集時間為1 h，即1 h的采樣點為9 000個。以下對激光功率的實驗分析使用的數(shù)據(jù)均為萬用表采集直接得到的電壓值。

3.2.1紫外激光器不加反饋控制時的功率數(shù)據(jù)

由圖7和圖8可見，紫外半導體激光器存在較明顯的功率漂移。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)計算得到，波長為266 nm的激光器的穩(wěn)定度只有±3%/h左右，且有功率突變現(xiàn)象存在；波長為379 nm的激光器的穩(wěn)定度為±1.5%/h左右，主要表現(xiàn)為功率隨時間緩慢漂移。

圖7　266 nm激光器輸出功率原始波動 Fig.7　Original fluctuating of 266 nm laser output power

圖8　379 nm激光器輸出功率原始波動 Fig.8　Original fluctuating of 379 nm laser output power

3.2.2紫外半導體激光器加反饋控制后的功率數(shù)據(jù)

圖9中波長為266 nm的紫外半導體激光器不開啟激光功率穩(wěn)定控制系統(tǒng)時直接輸出的功率曲線是使用without feedback所標示的曲線，曲線波動范圍為1.36～1.45 V，穩(wěn)定度為±3.2%/h，激光功率存在非常明顯的上下抖動問題。其他3條曲線為開啟激光功率穩(wěn)定控制系統(tǒng)后所得到，依據(jù)功率值的大小不同分別使用power 1、power 2和power 3標示，功率值由實驗人員根據(jù)實驗條件自行設(shè)置。能夠明顯看出，開啟激光功率穩(wěn)定控制系統(tǒng)后紫外半導體激光器的功率波動得到了很大程度地減小。為了方便對其進一步的分析，將圖5中power 1與power 3標示的兩條功率曲線經(jīng)過縱坐標放大后繪制于圖10中。

圖9　波長為266 nm的紫外激光器的控制效果對比 Fig.9　Controlling effect comparasion with and without stablization system using 266 nm laser

圖10　圖9中power1和power3坐標放大圖 Fig.10　Enlarged picture of power 1 and power 3 in Fig.9

在圖10中，由功率設(shè)定為power 1時的輸出功率曲線，可以得到1 h內(nèi)輸出功率對應的電壓值最大為1.357 0 V，最小為1.355 7 V，電壓最大變化為1.3 mV，功率穩(wěn)定度為0.021%/h；由功率設(shè)定為power 3時的輸出功率曲線，可以得到1 h內(nèi)輸出功率對應的電壓值基本保持在1.019 4～1.020 8 V之間，最大電壓變化只有1.4 mV左右，功率穩(wěn)定度為0.033%/h。

在圖11中，波長為379 nm的紫外半導體激光器不開啟激光功率穩(wěn)定控制系統(tǒng)時，功率曲線波動范圍為1.51～1.56 V，穩(wěn)定度為±1.6%/h，激光功率存在非常明顯的上下漂移波動現(xiàn)象。從圖11中能夠明顯看到，開啟激光功率穩(wěn)定控制系統(tǒng)后功率波動在很大程度上得到了減小。

圖11　波長為379 nm的紫外激光器的控制效果對比 Fig.11　Controlling effect comparasion with and without stabilization system using 379 nm laser

在圖12中，由設(shè)定功率為power 1的曲線，可以得到1 h內(nèi)輸出功率對應的電壓值最大為1.332 0 V，最小為1.330 8 V，電壓最大變化為1.2 mV，功率穩(wěn)定度為0.015%/h。對于設(shè)定功率為power 2的輸出功率曲線，可以得到1 h內(nèi)輸出功率對應的電壓值基本保持在1.263 2～1.262 5 V之間，最大電壓變化只有0.7 mV左右，功率穩(wěn)定度為0.011%/h。

圖12　圖11中power 1和power 2坐標放大 Fig.12　Enlarged picture of power 1 and power 2 in Fig.11

以上實驗分析表明：本功率穩(wěn)定系統(tǒng)可以適用于不同波長激光器的激光功率控制，能夠長時間穩(wěn)定工作，多次重新搭建系統(tǒng)均得到了輸出激光功率穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%/h的控制效果，該前段系統(tǒng)能夠較好的應用在光學器件的透反射率測量系統(tǒng)中。

3.3光學器件透反射率測量可靠性分析

測量光學器件的透反射率過程中，在每次測量透反射率時都需要一組激光輸出功率和透射功率的具體數(shù)據(jù)，但是兩次測量之間伴隨著待測光學器件的移出與移入，而精密平移臺存在1 μm的重復定位精度，從而導致測量經(jīng)光學器件分光后透射的激光功率存在微小的同軸誤差[16]，導致光學器件的透反射率精度要低于0.05%，但是1 μm的定位精度僅僅只會引入微小的誤差，透反射率測量精度近似等同于激光功率穩(wěn)定精度，完全能夠滿足對光學器件的透反射率測量要求。

該系統(tǒng)通過穩(wěn)定激光功率，達到了精確測量光學器件透反射率的目的，較之現(xiàn)今流行的測量方法有著較高的測量精度與準確性，操作簡單，系統(tǒng)可靠性較高，優(yōu)勢突出。

4　結(jié)　論

本文設(shè)計的光學器件透反射率測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對光學器件透反射率的精確測量，試驗過程中測量精度會保持在0.1%～0.05%。相較于光強測量法和雙光路測量法等傳統(tǒng)方法有著測量精度高，操作簡單便捷，誤差小等諸多優(yōu)點。整個系統(tǒng)由于在光路控制室中設(shè)置有聲光調(diào)制器，接收反饋控制模塊處理后經(jīng)過聲光驅(qū)動器輸出的超聲波信號，能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)激光功率，使得測量光路的激光信號為功率穩(wěn)定度高的激光信號，穩(wěn)定度提高至0.05%/h，有效減少了光源功率的波動，與現(xiàn)有技術(shù)直接使用激光光源作為測量光源相比，有效提高系統(tǒng)的測量精度。由于在反饋控制模塊能夠接收并實時顯示透射激光信號的功率值，增強了系統(tǒng)的可讀性，并且可以根據(jù)不同的待測光學器件對測量激光功率的不同要求，來設(shè)定相應的透射激光信號的功率值，增加了系統(tǒng)的適用性。并且該系統(tǒng)的前端激光功率穩(wěn)定部分又可以作為雙光路測量法的穩(wěn)定光源，可以輔助進一步提高雙光路測量法的測量精度?？傮w來說，該系統(tǒng)在光學器件透反射率的測試與標定等方面上有著廣泛且重要的應用價值。

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Design of laser power stabilization system based on acousto-optic modulation for the transmissivity and reflectivity measurement of optical devices

MIAO Shao-feng1，LI Chen-xu1, GAO Miao1, SHAO Xiao-peng1*， SHI Xue-shun2,LIU Yu-long2, LIU Chang-ming2, ZHAO Kun2, CHEN Hai-dong2

(1.SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,XidianUniversity,Xian710071,China;2.The41stResearchInstituteofCETC,Qingdao266555,China)

,E-mail:xpshao@xidian.edu.cn

In all types of optical system design processes, the transmissivity and reflectivity of optical devices should be determined, because of different requirements in various experiment systems. One system was designed, by which the transmissivity and reflectivity of optical devices could be measured and calibrated with high precision. The laser output power stability was increased significantly by acousto-optic modulation in this system, avoiding larger errors caused by unstable measuring light. It is showed that the system is capable of stablizing light output power from experimental results; the stability is maintained at 0.05%/h, or even higher level, and it meets the requirements of small error and high precision for the measurement of the transmissivity and reflectivity of optical devices.

transmissivity and reflectivity;acousto-optic modulation;laser power stability

2015-12-11；

2016-01-16

國家自然科學基金資助項目(No.61575154)

2095-1531(2016)02-0263-07

TN248

A

10.3788/CO.20160902.0263

苗少峰(1993—)， 男，安徽淮北人，碩士，主要從事光電成像硬件構(gòu)建方面的研究。E-mail:miaosf0121@163.com

邵曉鵬(1973—)，男，山東威海人，博士，教授，博士生導師，1997年、2002年、2005年于西安電子科技大學分別獲得學士、碩士、博士學位，主要從事計算成像，新體制光電成像(如超衍射極限成像、超分辨率成像和量子成像等)、光電圖像處理與模式識別(光電成像在工業(yè)中的應用、遙感圖像處理和高光譜圖像處理)等方面的研究。E-mail：xpshao@xidian.edu.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61575154)