CN102156133A

CN102156133A - Kdp晶体高功率激光体损伤三维测量方法

Info

Publication number: CN102156133A
Application number: CN 201110050231
Authority: CN
Inventors: 孙平平; 刘德安; 张艳丽; 张燕; 刘芳; 张雪洁
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: CN102156133B

Abstract

一种KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，该方法的实质是将的待测的KDP晶体置于数字全息干涉测量装置的探测光路中，探测晶体内体损伤的相位分布轮廓，即二维相位分布图像；对待测晶体进行角度扫描，对各角度采样点下获取的二维相位分布图像的傅里叶变换进行逆傅里叶变换重构体损伤的三维相位分布形貌。该体损伤的三维精细结构不但可以作为定性描述激光损伤特性的重要参数，还将成为关联光损伤宏观特征和微观机制的关键环境，在探索KDP/DKDP晶体激光损伤机理和提高光损伤阈值方面有重要应用。

Description

KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法

技术领域

本发明涉及KDP/DKDP晶体，是一种KDP/DKDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法。

背景技术

在激光惯性约束核聚变大工程装置中，大尺寸磷酸二氢钾(PotassiumDihydrogen Phosphate，以下简称为KDP)晶体以及磷酸二氘钾(DeuteratedPotassium Dihydrogen Phosphate，简称为DKDP)晶体是目前国际上作为普克尔斯盒和倍频转换的唯一有效的高功率晶体材料。目前，KDP/DKDP晶体的激光损伤阈值远低于价键结构理论计算获得的理论激光损伤阈值，严重限制了激光输出的能流密度和晶体使用寿命，因此，KDP/DKDP晶体激光损伤阈值成为制约惯性约束核聚变发展和应用的瓶颈。KDP/DKDP的激光损伤阈值一直是激光惯性约束核聚变工程装置研制中关注的焦点之一。作为高功率激光系统中能量输出的关键的非线性晶体材料，到目前为止，高功率激光装置的总体设计方案因KDP/DKDP的激光损伤阈值较低而没有较大的改进和突破。如何将KDP/DKDP晶体的光损伤阈值提高到预期的高功率激光输出水平是国内外专家一直努力攻克的前沿性课题[请参阅文献1：F.Rainer，F.P.DeMarco，M.C.Staggs，M.R.Kozlowski，L.J.Atherton，and L.M.Sheehan，“A historical perspective on fifteen years of laser damage thresholds atLLNL”，Proc.SPIE 2114，pp.9-24，1994.]。提高KDP/DKDP光损伤阈值问题，首先要研究清楚KDP/DKDP晶体激光损伤的机理，因此国内外专家相继提出了多种探测激光损伤的研究手段。较为常用的是基于CCD(Charge-Coupled Device)探测的散射法，该方法主要用于对晶体中细微缺陷及光损伤中心的分布密度函数和外形轮廓有统计意义上的测量，能够反映激光损伤的宏观性能和光致吸收特性，是近年来美国能源部激光惯性约束核聚变工程装置研发中心(Lawrence Livermore NationalLaboratory，简称为LLNL)发展的较为成熟的体损伤检测手段，请参阅下列文献：

文献2：P.DeMange，R.A.Negres，C.W.Carr，H.B.Radousky，and S.G.Demos，“A new damage testing system for detailed evaluation of damagebehavior of bulk KDP and DKDP”，Proc.SPIE 5647，pp.343-353，2005.

文献3、P.DeMange，C.W.Carr，H.B.Radousky，and S.G.Demos，“Systemfor evaluation of laser-induced damage performance of optical materials forlarge aperture lasers”，Rev.Sci.Instrum.，Vol.75，pp.3298-3301，2004.

文献4、P.DeMange，C.W.Carr，H.B.Radousky，and S.G.Demos，“Microscopic characterization of laser-induced damage performance oflarge-size KDP and DKDP nonlinear crystals，”Proc.SPIE 5647，pp.343-353，2005.

文献5、P.DeMange，R.A.Negres，A.M.Rubenchik，H.B.Radousky，M.D.Feit，and S.G.Demos，“Understanding and predicting the damageperformance of KDxH2-xPO4 crystals under simultaneous exposure to 532-and355-nm pulses”，Appl.Phys.Lett.，89，181922，2006.]。

其它检测方法，如显微镜相衬法、扫描电镜观察法和等离子体闪光法等等也作为有效和补充方法从多种角度考察晶体激光损伤的特征。上述散射测量的方法只能从两个角度描述有关光损伤的特性：

(1)统计意义上的密度分布函数；

(2)数十微米量级的光损伤二维轮廓。

上述现有技术是目前国际上较为系统的报告结果，对高功率激光装置的总体设计和实际运行提供了一定的指导。但LLNL实验室报道的文献自身也一直在声明，由于这种探测方案的宏观统计特性，很难将探测到的实验结果与光损伤的微观机制联系在一起。因此，发展能够实现微米量级激光损伤三维精细结构的微观测量技术将是深入研究光损伤机制的一个有效途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种KDP/DKDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，是一种基于角度扫描的三维成像方法，该方法可重构出晶体内部体损伤的三维精细结构。

本发明的技术解决方案如下：

一种KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，该方法的实质是将的待测的KDP晶体置于数字全息干涉测量装置的探测光路中，探测晶体内体损伤的相位分布轮廓，即二维相位分布图像；对待测晶体进行角度扫描，对各角度采样点下获取的二维相位分布图像的傅里叶变换进行逆傅里叶变换重构体损伤的三维相位分布形貌。

体损伤在每一角度下的相位分布由显微数字全息干涉测量获得；对待测晶体进行角度扫描，不同角度下的相位分布是体损伤三维相位分布傅里叶变换形式的分离采样点；对各角度扫描点获得的采样值傅里叶变换进行逆傅里叶变换，即可重构出晶体内部体损伤的三维精细结构。

本发明KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，利用数字全息干涉测量装置进行测量，该数字全息干涉测量装置的构成包括激光器、扩束准直装置、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、合束镜、透镜、CCD探测器和计算机，上述部件的位置关系如下：在该激光器的激光输出方向设置扩束准直装置、分光镜，该分光镜将输入的激光分为透射光和反射光，所述的透射光经待测的晶体、第一反射镜反射进入合束镜，所述的反射光经第二反射镜反射进入所述的合束镜，带有待测晶体的信息的透射光和反射光经合束镜合束相干，再经透镜成像由CCD探测器探测并输入所述的计算机，该计算机具有数字全息干涉测量处理软件，构成数字全息干涉测量装置，测量方法包括下列步骤：

①建立所述的数字全息干涉测量装置，将光损伤前的待测KDP晶体置于所述的数字全息干涉测量装置的测量光路中；

②使待测的KDP晶体与所述的数字全息干涉测量装置的探测光路成一定角度θ，启动所述的数字全息干涉测量装置，所述的激光器输出的激光经扩束准直装置扩束准直后进入分光镜，该分光镜将输入的激光分为透射光和反射光，所述的透射光经待测的KDP晶体、第一反射镜反射进入合束镜形成测量光路，所述的反射光经第二反射镜反射进入合束镜形成参考光，带有待测晶体的信息的透射光和参考光经合束镜合束相干再经透镜成像并由CCD探测器记录待测KDP晶体内体损伤的相位分布轮廓，即待测的KDP晶体的一幅二维相位分布图像并存入计算机；

③选定角度扫描的角度间隔Δθ，不断转动待测的KDP晶体进行角度扫描，重复步骤②获得一系列不同角度下的二维相位分布图像并存入计算机；

④将光损伤后的KDP晶体置于所述的数字全息干涉测量装置的测量光路中，重复步骤②和步骤③。

⑤计算机对所述的同一角度下损伤前后的相位相减，得到一系列不同角度下相位差分布图像的傅里叶变换，通过逆傅里叶变换重构出待测的KDP晶体的体损伤的三维相位分布形貌。

所述的角度扫描的角度间隔Δθ取决于对KDP晶体的光损伤区的体损伤探测的最大深度u_max和探测的最小空间尺度x_max，即Δθ≈x_max/u_max，角度扫描的角度范围为π，采集的二维相位分布图像总数为：N_θ≥π/Δθ≈πu_max/x_max。

本发明的技术效果：

1、本发明方法的二维相位分布图的分辨率主要取决于显微成像光路中的放大倍率和CCD探测器件的像素尺寸，一般可在微米量级。

2、上述再现出的信息是体损伤在任意角度下的二维相位分布图，仅为体损伤三维相位分布在后续角度扫描采样中的一个采样点。转动晶体进行角度扫描，每一角度间隔内重复上述全息干涉测量，再现出体损伤的二维相位分布。不同角度下的相位分布是体损伤三维相位分布傅里叶变换沿转动轴方向的离散采样点，对各角度扫描点获得的采样值的傅里叶变换进行逆傅里叶变换，即可重构出晶体内部体损伤的三维结构。该三维结构在扫描方向的分辨率取决于角度采样间隔的大小，当选择适当的角度采样间隔并充分采样后，可达到所需要的二维相位图相当的空间分辨率。

3、本发明重构出晶体内部体损伤的三维精细结构不但可以作为定性描述激光损伤特性的重要参数，还将成为关联光损伤宏观特征和微观机制的关键环境，在探索KDP/DKDP晶体激光损伤机理和提高光损伤阈值方面有重要应用。

附图说明

图1是待测KDP在θ角度下相位分布投影示意图。

图2是显微数字全息干涉测量装置的光路结构示意图。

图3是角度采样间隔选择原理图。

图中：1-入射光 2-光损伤区 3-待测KDP晶体 4-激光器 5-扩束准直系统 6-分光镜 7-第一反射镜 8-第二反射镜 9-合束镜 10-透镜 11-CCD探测器 12-计算机

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法作进一步具体说明。

本发明KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，下面用数学语言来描述本发明方法：

(1)在物体的截面上定义两个坐标系，如图1所示，即：

①固定坐标系，即x₁和y₁轴，与物体相对固定；

②投影坐标系，即x和y轴，y方向沿投影方向(激光射线入射方向)，x₁轴相对于x轴转动θ角，称为投影(空间)坐标系；

(2)将待测KDP晶体3以θ角置于干涉光路的一个干涉臂中，如图2所示，图中该数字全息干涉测量装置的构成包括激光器4、扩束准直装置5、分光镜6、第一反射镜7、第二反射镜8、合束镜9、透镜10、CCD探测器11和计算机12，各部件的位置关系如下：在该激光器4的激光输出方向设置扩束准直装置5、分光镜6，该分光镜6将输入的激光分为透射光和反射光，所述的透射光经待测的晶体3、第一反射镜7反射进入合束镜9，所述的反射光经第二反射镜8反射进入合束镜9，带有待测晶体3的信息的透射光和反射光经合束镜9合束相干，再经透镜10成像由CCD探测器11探测并输入所述的计算机12，该计算机12具有数字全息干涉测量处理软件；CCD探测器11记录的数字全息图光强分布为：

i(x，z)＝a(x，z)+c(x，z)exp[-j2π(ξ_xx+ξ_zz)]+c^*(x，z)exp[j2π(ξ_xx+ξ_zz)] (1)

其中，c(x，z)包含了待测物场信息；a(x，z)表示零级分布，ξ_x和ξ_z是x和z方向上的载频。

通过Matlab语言对获得的数字全息图进行傅里叶变换，即对方程(1)进行傅里叶变换，可获得其频谱分布为：

I(f_x，f_z)＝A(f_z，f_z)+C(f_x，f_z)δ(f_x-ξ_x，f_z-ξ_z)+C^*(f_x，f_z)δ(f_x+ξ_x，f_z+ξ_z) (2)

其中f_x和f_z是频域坐标。

经频谱滤波后选取频谱图中+1级频谱，并将其移动到计算坐标系的中央，对其进行逆傅里叶变换得到重建的物光波场分布：

其中：

为待测量的相位，

和

为常数相位，b(x，z)表示振幅信息。相应的再现像的位相分布为：

通过两次曝光法可将KDP晶体光损伤前的相位分布作为本底抵消，给出样品的相位变化信息，即KDP晶体损伤前后两次所产生的位相差为：

其中：

为KDP晶体激光损伤后全息图的提取的相位，

为KDP晶体未损伤状态下全息图的提取的相位，二者相减得到包裹相位差

通过对

进行解包裹运算，得到连续的位相差分布。

(3)在z＝0处，相位差分布图像

是二维体损伤相位差分布截面g(x₁，y₁)向x轴方向的投影，如图1所示。根据透射投影原理，对于角度θ下的投影图，其傅里叶变换等于物体相位差分布截面g(x₁，y₁)沿该方向的傅里叶变换：

φ_θ(u)＝G(u₁cosθ，v₁sinθ) (6)

因此，只要将待测样品3以角度扫描间隔Δθ在xy平面180°范围内转动，利用CCD进行扫描，通过多角度取样就可重构出傅里叶变换函数G(u₁，v₁)。

在上述角度扫描过程中，如图3所示，扫描角度间隔Δθ取决于光损伤区2的体损伤最大深度u_max和可探测的最小空间尺度x_max，即：

Δθ≈x_max/u_max (7)

体损伤深度越大，可探测的最小空间尺度越小，投影图间的夹角就越小，需要的干涉图也就越多，即满足如下关系式：

N_θ≥π/Δθ≈πu_max/x_max (8)

因此，当选择适当角度间隔后，就可达到预期的空间分辨率。

(4)对傅里叶变换函数G(u₁，v₁)进行逆傅里叶变换，可重构待测KDP晶体3的相位差分布图像，获得待测KDP晶体3的体损伤的二维图像g(x₁，y₁)。

(5)由此，可求得z轴上任意位置处在x₁y₁平面内的相位差分布曲线，进而得到体损伤相位差的三维分布图象。

Claims

1.一种KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，采用数字全息干涉测量装置进行测量，该数字全息干涉测量装置的构成包括激光器(4)、扩束准直装置(5)、分光镜(6)、第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、合束镜(9)、透镜(10)、CCD探测器(11)和计算机(12)，各部件的位置关系如下：在该激光器(4)的激光输出方向设置扩束准直装置(5)、分光镜(6)，该分光镜(6)将输入的激光分为透射光和反射光，所述的透射光经待测的晶体(3)、第一反射镜(7)反射进入合束镜(9)，所述的反射光经第二反射镜(8)反射进入合束镜(9)，带有待测晶体(3)的信息的透射光和反射光经合束镜(9)合束相干，再经透镜(10)成像由CCD探测器(11)探测并输入所述的计算机(12)，该计算机(12)具有数字全息干涉测量处理软件；其特征在于该方法包括下列步骤：

①将光损伤前的待测的KDP晶体置于所述的数字全息干涉测量装置的测量光路中；

②使待测的KDP晶体与所述的数字全息干涉测量装置的探测光路成一定角度θ，启动所述的数字全息干涉测量装置，所述的激光器(4)输出的激光经扩束准直装置(5)扩束准直后进入分光镜(6)，该分光镜(6)将输入的激光分为透射光和反射光，所述的透射光经待测的KDP晶体(3)、第一反射镜(7)反射进入合束镜(9)形成测量光路，所述的反射光经第二反射镜(8)反射进入合束镜(9)形成参考光，带有待测晶体(3)的信息的透射光和参考光经合束镜(9)合束相干再经透镜(10)成像并由CCD探测器(11)记录待测KDP晶体内体损伤的相位分布轮廓，即待测的KDP晶体的一幅二维相位分布图像并存入计算机(12)；

③选定角度扫描的角度间隔Δθ，不断转动待测的KDP晶体进行角度扫描，重复步骤②获得一系列不同角度下的二维相位分布图像并存入计算机(12)；

④将光损伤后的KDP晶体置于所述的数字全息干涉测量装置的测量光路中，重复步骤②和步骤⑧。

⑤计算机(12)对所述的同一角度下损伤前后的相位相减，得到一系列不同角度下相位差分布图像的傅里叶变换，通过逆傅里叶变换重构出待测的KDP晶体的体损伤的三维相位分布形貌。

2.根据权利要求1所述的KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，其特征在于所述的角度扫描的角度间隔Δθ取决于对KDP晶体的光损伤区的体损伤探测的最大深度u_max和探测的最小空间尺度x_max，即Δθ≈x_max/u_max，角度扫描的角度范围为π，采集的二维相位分布图像总数为：N_θ≥π/Δθ≈πu_max/x_max。