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1、 3 本工作得到激光技术青年科学基金、 中国科学院 “百人计划” 、 国家自然科学基金委 “杰出青年基金” 的资助和支持。3 3 通讯联系人。收稿日期1997209222;收到修改稿日期1998201208第26卷 第1期中 国 激 光Vol . A 26, No. 11999年1月CH I N ESE JOURNAL OF LA SERSJanuary, 1999用光腔衰荡光谱方法精确测量 高反镜的反射率3孙福革 戴东旭 解金春3 3(中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室 大连116023)孙 龙 房本杰(中国科学院大连化学物理研究所863短波长化学激光国家重点实验室 大
2、连116023)提要 介绍了利用光腔衰荡光谱技术高精度地检测高反镜的反射率的实验方法。利用直型和折叠型衰荡光腔结合,可以高精度地测定高反镜的反射率。 实验结果表明这一方法可以精确地测定各种反射角度、 镜片基底和尺寸的高反镜的反射率,而且还可以检测实际工作气氛下高反镜的反射率。关键词 光腔衰荡光谱,反射率,高功率激光1 引 言光腔衰荡光谱方法1是近年来兴起的吸收光谱技术。它通过对指数型的腔内衰荡信号的检测,摆脱了激光能量输出的起伏所引起的误差。由两片99199%反射率组成的光腔对损耗的 测量精度可达百万分之一。 我们利用光腔衰荡光谱方法的优良特性,建立了直型和折叠型衰荡光腔,进行了高反镜的反射率
3、的测定工作。 实验结果表明这一方法可以精确地测定各种反射角度、 镜片基底和尺寸的高反镜的反射率,反射率越高,测量结果的精确度也越高,几乎可以测量任意高的反射率。而且还可以检测实际工作气氛下高反镜的反射率。2 实验原理光腔衰荡光谱方法的原理可见文献2。反射率分别为R1,R2的腔镜M1和M2构成光学谐振腔,当一束纳秒级脉冲激光沿着光轴注入到腔内后,激光脉冲在两个腔镜之间来回反射而形成振荡。在腔镜M2后面,由光探测器检测腔内激光脉冲的衰减过程。假设腔长为L,腔内充满吸收系数为 的气体介质,腔内激光脉冲强度随时间指数衰减的衰减寿命= 2L?ln (R1R2)- 1+ 2Lc(1)若谐振腔内为真空,光脉
4、冲衰减寿命 仅由腔镜反射率和腔长决定, = 2L?ln (R1R2)(2)则得到平均腔镜反射率为R=(R1R2)1?2= 1 -L?c(3)由式(3)得到腔镜反射率的检测精度R= (1-R) (-L?L+? )。 由于在实验中每个值 都经过数百个数据点拟合得到,精度很高,一般情况下 ? 0199,则(R?R) R 01999,则 (R?R) R019999,则(R?R) R01000001,测量结果为019999X X,等等。 所以反射率愈高,该方法所提供的反射率测量结果的 精度也愈高,给出的反射率有效数字位数总是能大于实际反射率中 “9” 的数目。3 实验装置图1光腔衰荡光谱实验设置Fig.
5、 1 Schematic illustration of the cavity ring2down spectroscopic experi ment实验设置已在文献2中有详细介绍。如图1所示,由准分子激光(L PX200,L amda Physik)泵浦的 染料激光器(L PD3000,L amda Physik)输出的脉冲 激光经过空间滤波后进入高反镜构成的衰荡光腔 中。光强衰荡信号由放在另一腔镜后面的光电倍增 管接收后送入数字化仪(7612D, Tektronix),数字化 后的波形传给计算机处理。整个实验系统的控制和 数据处理都由一台配置了一块GP I B接口板(A T2GP I B?
6、TN T(PnP), N ational Instrument)的Pen2tium 133 PC进行。4 结果与讨论411 直型衰荡光腔检测腔镜反射率 我们利用N EW PORT公司的10CV 0030F型高反镜组成衰荡光腔,腔长为90 cm ,中心波 长为620 nm ,反射面曲率半径为1m。光腔内反复用高纯氮气冲洗,以清除腔内的水气等吸收气体。 图2是记录到的光腔衰荡信号,此时激光波长为640 nm。拟合得到衰荡时间 = 141159(5)s,测得腔镜反射率为R= 1 -L?c= 9919788(2) 。 再考虑到腔长测量的015 偏差,腔镜反射率为R= 991979(1)%。图3是腔镜反
7、射率随激光波长变化情况。在中心反射波长620 nm处腔镜的反射率达到99198% ,曲线变化趋势表明腔镜的反射率随着波长远离中心波 长而逐渐降低。图中左侧的一些尖峰是由微量水气吸收所致。由以上结果可知,利用光腔衰荡光谱方法可以高精度地测定腔镜的反射率,但此时测得的反射率R为R1R2,只有其中一个镜的反射率R1已知,才能求得另一个R2。 如果有第三个镜63中 国 激 光26卷图2衰荡腔内光强衰减曲线;腔长为90 cm,激光波长为640 nmFig. 2 The decay curve in the ring down cavity,taken w ithacavitylength of90 cm
8、and laser wavelength of 640 nm图3镜反射率随波长变化曲线。样品镜为N EW2PORT出品,中心波长为620 nm。每个数据点经过10次平均Fig. 3 The curve of m irror reflectivity. M irrorsare10CV 0030Fm irrorsfromN EW2PORT, which are centered at 620 nm.Each data points are averaged over 10shots子R3,就可以有(R1,R2), (R2,R3), (R3,R1)三个组合,测得三个R值,从而可以解出R1,R2和R3
9、。此外,此方法要求腔镜的尺寸规则,镜片的基底必须是透光的材料,而且只能检测0 角的反射镜。412 折叠腔检测腔镜高反射率图4折叠谐振腔方法测量镜反射率原理图Fig. 4 Principle diagram of m irror reflectivitymeasurement利用前述的腔镜建立了光腔衰荡光谱装置,还 完成了微量水气含量的检测工作。 实验结果表明检 测极限低于210- 8cm- 1,相当于在1 m的光腔内 可以检测出低于210- 6的腔内损耗。这一结果表明利用反射率较低的腔镜可以检测出远低于腔镜 透过率的腔内损耗。 折叠衰荡光腔的原理如图4所示。 在折叠衰荡 光腔中,腔内损耗由腔内
10、的介质吸收和被测镜的透 过损耗产生。 我们把被测镜作为原直腔中的一项损耗来测量。由折叠腔的损耗减去直腔的损耗,就得 到被测镜的反射率。根据前述结果分析,此时可以 检测反射率高达9919998%的腔镜。 图4中,直型衰荡光腔的衰荡时间为 0,由(1)式所示,折叠谐振光腔的衰荡时间 = 2L?cln (R1R2) -2R?+L(4)所以被测腔镜的反射率为R?= 1 -(1? -1? 0)L?c(5)由以上推导,发现由于腔长的一致,腔内介质吸收产生的损耗恰好抵消,因此可以检测各种气 氛下的腔镜反射率,使得这一方法更具实际意义。 此外,如果介质没有吸收,那么只要腔长的测731期孙福革 等:用光腔衰荡光
11、谱方法精确测量高反镜的反射率量精度较高,就不必苛求直型衰荡光腔和折叠型衰荡光腔的腔长完全一致。 图4还表明,此时对被检测腔镜的尺寸和基底没有任何要求,而且可以测量任意反射角度 的腔镜反射率。 实验中,首先我们测得直型衰荡光腔的衰荡时间 0,然后再引入被测腔镜组成腔长相同的 折叠型衰荡光腔,测定它的衰荡时间 ,由两个衰荡时间便可以确定被测腔镜的反射率。图5是测定的Q uanta Ray的45 激光耦合镜(W ex Beam Combiner,反射范围为540640 nm)的反射率曲线。在625 nm处腔镜反射率为99180% ,随着激光波长的红移,反射率逐 渐降低。以630 nm处为例,耦合镜的
12、反射率为991779(4)%。图5镜45 角反射率随波长变化曲线。被测镜是Q unata Ray出品的W ex并束器,在540640nm之间有高反射率。衰荡腔中为空气,每个数据点经10次 累加平均Fig. 5 Curve of m irror reflectivity at 45reflectiveangle.The measured m irror is a W ex beamcombiner from Q uanta Ray,which has ahighly reflective range of 540640 nm. Cavi2ty is filled w ith air.Each d
13、ata pointsare an average of 10 shots 致谢 顾玉昆参与了本实验室的建设,沙国河、 桑凤亭、 杨柏龄、 张存浩对工作进行了有益的指 导,在此表示感谢;解金春感谢香港 “求是基金会” 和美国 “李氏基金会” 的支持。参考文献1 A. OKeefe, D. A. G. Decon. Cavity ring2down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources.R ev.S ci.Instru. , 1988, 59(12): 25442551 2 Dongx
14、u Dai, Fuge Sun, L u Kanget al. . A high rep.rate real ti memeasurement of cavity ring down spec2 troscopy.Chinese J.Chem.Phys.(化学物理学报), 1997, 10(6): 481486 (in Chinese)Accurate ReflectivityM easurement of High ReflectiveM irrors via a Cavity Ring-down M ethodSun Fuge1 DaiDongxu1 Xie Jinchun1 Sun Lo
15、ng2 Fang Benjie21T he S tate K ey L aboatory of M olecular R eaction,2T he S tate K ey L aboratory of S hortW aveleng thChem ical L aser,D alian Institute of Chem ical Physics,T he Chinese A cademy of S ciences,D ailan116023Abstract This paper describes measurement of m irror reflectivity via cavity
16、2ring2down2spectroscopy.The method can accurately determ ine the reflectivity of a m ir2ror, using combination of linear and folded cavities. Results show that thismethodcan measure reflectivity ofm irrors of different sizes and media, at any reflection an2gles, possibly, under working circum stances .Key words cavity2ring2down2spectroscopy, reflectivity, high2power laser83中 国 激 光26卷
