CN102269716A - 微区光学损伤的测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测试领域，涉及一种微区光学透过率测量的方法和装置，特别是在检测激光对玻璃造成的微区损伤方面。光学玻璃是激光应用过程中必不可少的原件，其透过率标志着传输激光能力的强弱，是判断其激光损伤程度的重要依据。随着激光被越来越多地应用于医疗、军事、科研、工业加工等领域，对光学玻璃透过率的测量变得极其重要。由于光学玻璃损伤区域的直径一般很小，所以采用传统分光光度法很难准确测量其透过率。本文提出一种用显微镜与光纤光谱仪组合测量损伤区域的方法和装置，如图1所示。在定量分析出区域大小的同时，测量出此区域损伤前后的透射光谱，并计算出光谱透过率。此技术克服了传统方法测量微区损伤时的误差较大的问题，为测试微小单元透过率或反射率提供了新思路、新方法。

Description

微区光学损伤的测试方法和装置

技术领域

本发明属于光学测试领域，涉及一种微区光学透过率测量的方法和装置，特别是在检测激光对玻璃造成的微区损伤方面。应用领域包括光学部件生产检测、激光与物质相互作用研究、激光加工设备研发等领域。 

背景技术

激光损伤光学玻璃，使得其材料表面的形貌发生变化或在内部产生缺陷，由于其未损伤区域远远大于损伤区域，利用传统的方法测量其透过率，只能观察整体效果，几乎看不出损伤前后的光谱透过率的变化，难以实现准确测量。 

激光对光学玻璃所造成的损伤微区，传统方法无法测量。本专利中，使用显微镜将损伤微区放大，从而便于测量。显微镜目前已是一种成熟的技术和工具，本发明中使用的是Nikon Epiphot300显微镜，具有放大倍率可调、显微存档、显微测量等功能，可满足本专利要求。 

在显微镜放大的基础上，利用光纤光谱仪可实现光谱透过率的测量。光纤光谱仪是一种成熟的技术，其采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析，它可以实现可见光波段全谱采集功能，具有体积小、光谱范围宽、分辨率高等特点，其传导光纤为柔性光纤，便于操作。本专利采用的是光纤光谱仪为ocean optics QE6500，传导光纤为多模光纤，其数值孔径为小于0.35，完全满足本发明的要求。 

发明内容

本发明所解决的技术问题是： 

提供一种显微镜与光纤光谱仪组合测试微区透过率方法和装置，适合用于损伤区域小、材料表面出现形貌变化或内部有缺陷的情况下光学玻璃透过率的测量。 

本发明的技术方案是： 

首先使用读数显微镜(2)观察光学玻璃毁伤区域的大小以及其在视场中的比例，利用其分划板标尺功能，测量毁伤区域的大小，然后，利用光纤光谱仪(1)，测量该样品毁伤前后的透射光谱，根据光谱透过率算法，计算出其光谱透过率。测量装置如图1所示，系统由显微镜(2)、光纤光谱仪(1)、多模光纤(3)、样品(4)、透镜(5)构成。 

使用光谱透过率算法： 

激光对光学玻璃的损伤在显微系统视场中只是很小的一个小区域，将毁伤区域面积记为A_D，视场中未毁伤区域面积记为A_n，那么视场面积为 

A＝A_D+A_n                                (1) 

为了测试损伤区域A_D受到损伤后的透过率变化，必须先测试未损伤的光学玻璃的透射光 谱，记为T₀(这里是光谱相对强度，等价于入射光通量)；然后测试毁伤后整个视场的透射光谱，记为T_D，那么T₀和T_D在某一波长λ_i处的差，就是由于激光毁伤对这一波长的透过率损失，表达式为： 

ΔT(λ_i)＝T₀(λ_i)-T_D(λ_i)                     (2) 

假如进入光纤的(光谱)光通量在整个视场分布均匀，那么毁伤区域A_D对波长λ_i的光通量损耗： 

$E_{\mathrm{loss}}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=\mathrm{\ΔT}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)/(T_0\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\·\frac{A_D}{A})---\left(3\right)$

相应地毁伤区域在λ_i时的透过率T_h(λ_i) 

T(λ_i)＝[1-E_loss(λ_i)]×100％                            (4) 

对于一个光谱段或全光谱的透过率，只需要将上式按波长积分 

T＝∫[1-E_loss(λ_i)]dλ_i×100％                           (5) 

通过上述结果对波长积分最终得到玻璃的透过率。测量过程如图2所示。 

本发明的效果是： 

该方法和装置能够在定量确定出损伤区域大小的同时，检测出被测区域损伤前后的透射光谱曲线，最终得到光谱透过率。此技术克服了传统方法测量微区损伤过程中误差较大的问题，为微小面元透过率或反射率测量提供了新思路、新方法，填补了相关技术的空白。 

附图说明

图1是金相显微镜与光纤光谱仪组合测试系统示意图，图2是微区损伤测量流程图，图3是激光损伤K9玻璃的表面形貌图，图4是K9玻璃的透过率光谱图。 

具体实施方式

第一步，取K9玻璃样品(4)置于显微镜(2)视场中央，观察光学玻璃毁伤区域的大小以及其在视场中的比例，利用读数显微镜(2)的图像处理功能，测量毁伤区域的大小，存储图像如图2所示。 

第二步，利用光纤光谱仪(1)，测量该样品毁伤前后的透射光谱。 

第三步，根据光谱透过率算法，计算出其光谱透过率。 

经测量，毁伤区域面积记为548.2433，视场面积为2202.1461 

$\frac{A_D}{A}=0.248959$

使用Origin软件对损伤前后的透射光谱曲线进行计算，利用公式 

ΔT(λ_i)＝T₀(λ_i)-T_D(λ_i) 

$E_{\mathrm{loss}}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=\mathrm{\ΔT}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)/(T_0\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\·\frac{A_D}{A})$

得到样品的透过率曲线如图4所示。 

Claims (4)

1. 一种用微区光学损伤的测试方法和装置，其特征在于：

   1.测量系统由光纤光谱仪(1)、显微镜(2)和透过率算法组成。显微镜用于观察和测量毁伤区域的大小以及其在视场中的比例；多模光纤(3)用于收集待测光并传导到光纤光谱仪，获得样品透射光谱；透过率算法用于根据样品毁伤前后的透射光谱，计算其光谱透过率。
2. 2.根据权利要求1所述的显微镜(2)是读数显微镜，其特征在于：

   其光学系统具有放大倍率调整、标尺读数和底片的显微照相功能，物镜放大倍率大于5，光学系统数值孔径角大于0.46。
3. 3.根据权利要求1所述的光纤光谱仪(1)，其特征在于：

   光纤光谱仪(1)可以实现可见光、紫外和近红外波段全谱采集功能，光谱范围为200～1100nm传导光纤为多模光纤，其数值孔径为小于0.35。
4. 4.根据权利要求1所述的透过率算法，其特征在于：

   先测试样品未损伤区域的透射光谱，然后测试损伤区域的透射光谱，样品光谱透过率等于损伤区域的透射光谱除以未损伤区域的透射光谱，以百分制表示。 

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