高反镜表面疵病尺寸对激光散射场分布的影响 下载: 570次
1 引言
高反射镜广泛应用于激光陀螺、高能激光系统等**领域[1]。通常通过真空镀膜技术在微晶玻璃基底上镀制若干层介质薄膜,其反射率能达到99.99%以上[2]。加工安装过程中不可避免地会在反射镜表面引入划痕、麻点等疵病,导致入射光产生散射,严重影响激光陀螺的性能。
实际情况中,反射镜表面的疵病是随机分布的,其深度、宽度从亚μm至亚mm不等,可大致分为划痕、麻点、破边、擦痕等。常用的检测仪器如人工检测效率较高,但精度较低,可应用在对精度要求不高的工厂;轮廓仪等检测仪器需要探针直接接触检测面,对待检元件有一定的破坏;原子力显微镜的测量精度可以达到nm级别,但视场较小,检测效率较低[3]。常用的成像检测系统,如显微暗场成像技术只能表征疵病的二维尺寸,无法对μm量级疵病的深度进行有效表征,且精度较低;积分散射测量和角分辨散射测量可从整体或局部位置分析疵病的尺寸,但无法分辨疵病的形状[4]。为了从激光散射场的分布及强度大小角度研究疵病的形状、尺寸等信息,应先明确疵病尺寸发生变化时,激光散射场的分布和强度的变化规律,但目前对这方面的研究较少。
有限元法(FEM)采用数值稳定逼近的方法求解麦克斯韦方程组的微分形式,使结果不断逼近实际情况,在求解空间电磁场分布、分析电磁波散射特性方面有较大优势[5]。因此,本文结合FEM和多物理场仿真软件(COMSOL)构建截面形状为矩形的单划痕电磁场二维仿真模型,仿真了不同尺寸疵病空间的散射场变化情况。同时,基于相关检测原理和LabVIEW数据采集处理系统构建的积分散射测量系统对已知大小的表面疵病样品进行检测,并与仿真结果进行比对分析。本研究可为研究高反镜表面不同尺寸疵病的散射提供一定的理论支持。
2 高反镜表面疵病散射模型
实验研究的对象是反射率大于99.99%的高反镜,由高反膜系和基底共同组成。应用于激光陀螺内的高反膜主要由五氧化二钽(
图 1. 高反膜的反射率分布与疵病模型。(a)反射率分布;(b)疵病模型
Fig. 1. Reflectance distribution and defect model of high-reflection film. (a) Reflectance distribution; (b) defect model
表 1. 9组疵病样品的尺寸
Table 1. Dimensions of 9 groups of defect samples unti:
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相关研究表明,日常中常见的疵病类型多为划痕,大致可分为单划痕、双划痕和多划痕,其截面形状多种多样,但总体接近矩形(梯形)[8-9]。由于无法建立与实际中完全相同的疵病模型,实验研究的对象是高反镜表面9组截面为矩形的划痕状疵病。目前实验室在光学元件表面加工的可控最小尺寸为20
根据
3 仿真计算
基于COMSOL的波动光学模块,利用背景场理论求解高反镜表面疵病的空间散射场。已知的背景场(光源)方程可作为模型输入,
式中,∇ ×为求旋度符号,ω为角频率。总电场强度
式中,
式中,
通常在同一电磁场中的不同空间位置用能流的强弱描述此处电磁场的大小,即散射场的强度就是散射光的强度,可通过求取能流对时间的平均值突出其空间强度分布。将光强度定义为探测器件探测到光波在一个比振动周期大得多的观测时间内的平均能流密度,将
式中,
式中,εr和ε0分别为相对和真空中的介电常数,μ0和μr分别为真空中的磁导率和相对磁导率。对(4)式取平均值,得到
在同一介质中各系数参数均相同,则其平均能流密度可简化为
由(7)式可知,空间散射光强度在数值上与空间散射电磁场大小的平方成正比关系,即可用散射电磁场强度大小的平方衡量散射光强度的大小,单位为
图 2. 不同场的分布情况。(a)入射场;(b)无疵病时的总场;(c)有疵病时的总场;(d)散射场
Fig. 2. Distributions of different fields. (a) Incident field; (b) total field without defect; (c) total field with defect; (d) scattering field
图 3. 9组疵病的空间散射场分布图。(a)~(i)第1组~第9组
Fig. 3. Spatial scattering field distributions of 9 groups of defects. (a)?(i) Group 1?group 9
图 4. 积分散射光强随疵病尺寸的变化。(a)散射光强随宽度的变化;(b)散射光强随深度的变化
Fig. 4. Variation of integral scattering light with the defect. (a) Variation of scattering light intensity with width; (b) variation of scattering light intensity with depth
按
每个疵病产生的散射光强数值大小与疵病大小的关系经积分处理后的结果如
4 积分散射测量实验
4.1 积分散射测量原理
为验证上述仿真理论,基于积分散射法(
当光学元件表面粗糙度远小于入射波长
入射光在空气中以45°入射时,(9)式可表示为
由(10)式可知,超光滑表面积分散射的值仅与入射波长和粗糙度的RMS有关。当入射波长一定时,积分散射测量值能很好地表征光学元件表面的粗糙度。
4.2 积分散射测量装置
积分散射测量系统基于自相关检测原理设计搭建[12],其核心部件是积分球,积分球具有很好的匀光特性和散射光收集能力,也是一个理想的消偏振器件,能消除实际测量中偏振带来的影响[13]。装置还包括波长为635 nm的半导体激光器、斩波器、光电倍增管(PMT)、锁相放大器、数据采集卡等部件。实际情况中,激光光束经疵病散射后的光强非常微弱,且经过积分球内无数次漫反射形成的均匀照度场能量会更微弱。为了对微弱信号进行探测,用PMT作为光电探测器;为避免环境光、检测电路噪声对检测结果的影响,用锁相放大器对被测信号进行鉴相比较,极大提高了信噪比和检测准确度。
4.3 测试过程及结果
4.3.1 测试过程
实验采用波长为635 nm的半导体激光器,功率波动在
图 6. 测试系统。(a)积分散射测量系统;(b)积分球
Fig. 6. Test system. (a) Integral scattering measurement system; (b) integrating sphere
首先进行基准测量,选用透过率为0.1%的衰减片对入射光进行衰减,衰减后的入射光完全进入积分球内,待整个系统稳定后读取的电压值就是基准电压。散射光测试对象为
图 7. 电压的测试结果。(a)入射光衰减后的基准电压;(b)标准样品散射光的电压
Fig. 7. Test results of voltage. (a) Reference voltage after attenuation of incident light; (b) voltage of scattering light from standard sample
表 2. 9组不同尺寸疵病散射的测量电压
Table 2. Measured voltages of 9 groups of different sizes of defects scattering unit: V
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4.3.2 散射率的计算
数据采集处理系统得到的最终结果是电压值,需进行计算才能得到光学元件表面的散射率[14],可表示为
式中,
计算得到不同尺寸疵病的散射率分布如
图 8. 样品散射率的变化。(a)散射率随宽度的变化;(b)散射率随深度的变化
Fig. 8. Variation of the sample scattering rate. (a) Variation of scattering rate with width; (b) variation of scattering rate with depth
4.4 误差分析
实验中的误差主要来源于三方面:1)散射场分布的仿真误差,其中网格划分是仿真计算中至关重要的一步,直接影响了计算精度和计算时间,实验结合硬件计算能力及多次仿真实验取得合适的网格大小,极大减小了仿真误差;2)激光器的功率波动,入射光基准测量与光学元件表面疵病散射率的测量不是同步的,但激光器功率的波动误差在1%以内,测量时间间隔较小且采用多次测量方法,因此测量时光源功率波动的影响可以忽略不计;3)环境中颗粒物散射造成的影响,可在超净室环境下完成实验测试。
5 结论
通过构建高反镜表面理想单划痕疵病散射模型,模拟高斯光束入射到含有不同宽度、深度疵病表面发生散射的过程;同时设计并搭建积分散射测量系统,对已知宽度、深度的疵病样品进行检测。实验结果表明,整个计算域内均有散射场的分布。高反镜表面的疵病宽度或深度越大,其散射光强越强;疵病宽度的变化对空间散射场的影响远大于深度的变化;疵病产生的前向散射远大于背向散射,疵病尺寸对散射场分布的影响不明显,只影响散射光强的大小。此外,提高计算机配置,可仿真更复杂的疵病散射场,得到更接近实际的疵病仿真分析。
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