CN102680213B

CN102680213B - 大口径光学元件光学特性的快速检测方法及装置

Info

Publication number: CN102680213B
Application number: CN201210199966.3A
Authority: CN
Inventors: 吴周令; 陈坚; 吴令奇
Original assignee: HEFEI ZHICHANG PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Hefei Zhichang Photoelectric Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2032-06-18
Also published as: CN102680213A

Abstract

本发明公开了一种大口径光学元件光学特性的快速检测方法及装置，首先将泵浦光束照射到被测样品表面上的测量点1，由测量点1反射出来的泵浦光经能量回收反射镜后再次照射到样品表面上的测量点2，以此类推，泵浦光经能量回收反射镜后多次与被测样品表面相互作用，在被测样品表面的测量点1到测量点N都引起了局部材料特性变化。这N个测量点的局部材料特性变化由探测光束进行并行探测。本发明利用泵浦光能量回收反射镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用从而大幅度提高大口径光学元件光学特性检测速度，该方法和装置可以用于光热无损检测、光热精密测量、光学吸收光谱、光热成像与缺陷分析等多个领域，特别适用于对大口径激光反射镜微弱吸收特性的快速检测与成像。

Description

大口径光学元件光学特性的快速检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光热检测领域，具体是一种利用能量回收镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用从而大幅度提高大口径光学元件光学特性检测速度的方法及装置。

背景技术

大口径光学元件是各类大型激光系统中不可缺少的关键元件。其光学特性是否能够满足设计要求常常是相关大型激光系统能否成功运行的关键。大口径光学元件，特别是用于强激光系统的大口径光学元件，通常对其光学吸收特性要求较高，一方面要求平均吸收较小，另一方面希望吸收特性比较均匀，尽量减少局部较大吸收缺陷的存在，以免产生局部激光破坏或者局部激光光束质量的下降。然而大口径光学元件吸收特性的精密测量目前并没有特别有效的方法，特别是当大口径光学元件吸收比较微弱，而同时又需要获得该吸收的空间分布特性的时候。

对于光学元件，特别是用于强激光系统的微弱吸收光学元件，其吸收特性的常用测量方法包括激光量热法以及其他各类光热测量方法，如基于光热表面变形的光热偏转法、表面热透镜法；基于光热折射率的光热偏转法、热透镜法等。这些方法都具有灵敏度很高（吸收率测量灵敏度可达10^-7-10^-8量级）、空间分辨率较高（可以比较容易的达到微米甚至亚微米量级横向空间分辨率）、非接触式测量等特点。

以表面热透镜技术为例，其基本原理是：材料在泵浦光作用下表面因吸收光能量引起局部温度升高，从而产生热形变。热形变的空间分布及其随时间的变化与泵浦光参数和材料特性紧密相关。这种表面形变会引起反射光波前特性的变化，产生类似于透镜的会聚或发散效应，因而称之为表面热透镜效应。

利用表面热透镜效应进行材料特性检测和分析的最常见方法是一束经过调制的泵浦光在被测样品表面诱导产生热形变，同时利用另一束探测光来探测表面热形变。在经过样品后的探测光路中的适当位置加入一个空间滤波器，通过测量经过空间滤波器进入光探测器的探测光能量变化来获得表面热形变的信息，从而获得相应的材料的吸收等特性。这种测量方法中为获得较好的响应，一般需要利用锁相技术。而对样品特性的二维检测则需要通过对样品进行逐点扫描来获得。

然而这种二维扫描方法应用于大口径光学元件时将会受到很大限制。主要原因是检测及成像速度太慢。一方面由于信号较弱，对每一个样品点都要进行一定时间的锁相积分；另一方面，样品每次移动都需要花费一定的移动和等待时间，以使整个系统从机械震动到局部温度都能达到新的平衡。把这种技术直接用于大口径光学元件测量，实际应用中基本是不可行的：假设用这种方法测量一件（1米 x 1米）的激光反射镜微弱吸收及其空间分布，即使空间分辨率只要求500微米（即每500微米x 500微米取样一点），那么把整个样品扫描完将需要556小时（假设每一点移动准备及积分测量时间累计只需500毫秒），这在实际应用中是很不现实的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大口径光学元件光学特性的快速检测方法及装置，利用能量回收镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用，解决利用光热效应进行大口径光学元件吸收测量过程中因为耗时过长而不能满足实际使用要求的问题。

本发明的技术方案为：

大口径光学元件光学特性的快速检测方法，包括以下步骤：

（1）、泵浦光束入射到被测样品的表面，并在被测样品的表面的第一个测量点产生光热效应，引起表面局部热形变；由样品表面反射的泵浦光束经能量回收反射镜反射后再次照射到样品表面上的测量点2，引起表面局部热形变；如此类推，泵浦光经能量回收反射镜后多次与被测样品表面相互作用，在被测样品表面的测量点1到测量点N都引起了表面局部热形变；

（2）、探测光束照射到被测样品上，并在被测样品表面上的测量点位置与泵浦光重叠，由于泵浦光引起的表面热形变，探测光的传播特性会发生改变，产生新增的会聚或发散效应；经被测样品反射的探测光束经过空间滤波器阵列和滤光片后达到光电探测器阵列，由光电探测器阵列检测。

所述的探测光束是由N束光束组成的探测光束组，每一束探测光束对应一个测量点；或是一束线形或椭圆形探测光斑，探测光斑的长轴方向与N个测量点的排列方向相一致，并且与所有测量点重叠。

大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源、探测光源、光电探测器阵列、设置于光电探测器阵列前端的滤光片和空间滤波器阵列，其特征在于：所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置还包括有泵浦光能量回收反射镜，泵浦光束吸收装置，顺次设置于探测光源输出端后的探测光束整形装置和偏振分光镜，设置于偏振分光镜透射输出端后四分之一波片；所述的空间滤波器阵列、滤光片和光电探测器阵列均设置于偏振分光镜反射输出端后。

所述的探测光束整形装置选用探测光衍射分光装置或探测光光斑形状变换装置。

所述的探测光源和探测光束整形装置之间设置有探测光光束整形及处理系统；所述的泵浦光源的后端设置有泵浦光光束整形及处理系统。

所述的四分之一波片的输出端后和偏振分光镜反射输出端后均设置有探测光聚焦调整透镜。

本发明的原理：

泵浦光束在经过光束整形及处理后入射到被测样品表面上的测量点1，该点泵浦光光功率为P₁；被测样品为大口径高反射率反射镜，其反射率为R₁。在被测样品邻近区域放有一片与被测样品表面平行的泵浦光能量回收反射镜，其反射率为R₂。泵浦光束经过测量点1后由被测样品反射，再经泵浦光能量回收反射镜反射后入射到被测样品表面上的测量点2，该点泵浦光光功率为P₂。光功率为P₂与光功率P₁满足如下关系：

P₂=(R₁R₂)P₁ (1)

如此类推，测量点N的泵浦光光功率为P_N，P_N与光功率P₁满足如下关系：

P_N=(R₁R₂)^（N-1）P₁ (2)

假设泵浦光能量回收反射镜反射率为R₂=99.98%，下表1列出了在四种不同样品反射率R₁的情况下在样品不同测量点（测量点1到测量点100）的泵浦光光功率相对于其第一个测量点泵浦光光功率之间的关系P_N/P₁。由表中可以看出，当R₁=99.95%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=100处，其泵浦光光功率还有在测量点1处功率的93%，完全能够继续满足光热测量要求；当R₁=99.5%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=100处，其泵浦光光功率还有在测量点1处功率的60%，也完全能够继续满足光热测量要求；当R₁=99%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=100处，其泵浦光光功率还有在测量点1处功率的36%，依然能够基本满足光热测量要求。也就是说对多数大口径高反射率光学元件，这种基于泵浦光能量回收原理的系统可以重复利用泵浦光能量100次以上。

当R₁=98%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=100处，其泵浦光光功率只有在测量点1处功率的13%，已经偏低。但是在N=50处，其泵浦光光功率还有在测量点1处功率的37%，依然能够基本满足光热测量的要求。也就是说即使对R₁=98%这样的较低反射率大口径光学反射镜，这种基于泵浦光能量回收原理的系统也可以重复利用泵浦光能量50次以上。

测量点数 N	1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
												PN/P1 (R1=0.9995)	1.00	0.99	0.99	0.98	0.97	0.97	0.96	0.95	0.95	0.94	0.93
PN/P1 (R1=0.9950)	1.00	0.95	0.91	0.86	0.82	0.77	0.74	0.70	0.66	0.63	0.60
												PN/P1 (R1=0.9900)	1.00	0.91	0.82	0.74	0.67	0.61	0.55	0.49	0.44	0.40	0.36
PN/P1 (R1=0.9800)	1.00	0.83	0.68	0.55	0.45	0.37	0.30	0.24	0.20	0.16	0.13

表1.在四种不同样品反射率R₁情况下的泵浦光光功率相对于其第一个测量点泵浦光光功率之间的关系PN/P1。

泵浦光（包括经过能量回收反射镜回收的部分）照射到样品表面上不同的位置（测量点1到测量点N），在每一点都会引起相应的表面热形变，这种热形变可以通过表面热透镜技术进行检测。利用表面热透镜技术进行检测时，探测光可以用具有N束光束的探测光束组，每一束探测光束对应一个测量点；探测光也可以是一束线形或椭圆形探测光斑，探测光斑的长轴方向与N个测量点的排列方向相一致，并且与所有测量点重叠。

本发明不管是利用衍射分光装置对探测光束进行多光束分光，还是利用柱面透镜使得探测光束具有线形或椭圆形光斑，最终光电探测器阵列获得的光热信号都需要利用并行处理电路来进行处理，并且进行锁相积分。

本发明的优点：

由于能量回收利用次数可达100次以上，相关检测的速度在泵浦光功率不变的情况下可以得到相应倍数的提高。如前所述，用传统的光热测量方法测量一件（1米 x 1米）的激光反射镜微弱吸收及其空间分布，需要556小时；而使用基于本发明的测量方法及装置，在同样条件下可以把检测速度提高100倍（假设能量回收利用次数为N=100），这样一来，整幅扫描测量同样的样品只需要5.56个小时，变得切实可行。

本发明也适用于中小型口径光学元件测量。在用于中小型口径光学元件时，本发明可以在保持测量速度适当的情况下大幅度降低对泵浦光源的功率要求，从而大幅度降低相关测量系统的成本、体积和重量。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

见图1，大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源1，设置于泵浦光源1后端的泵浦光光束整形及处理系统2，泵浦光能量回收反射镜3，泵浦光束吸收装置4，探测光源5，顺次设置于探测光源5输出端后的探测光光束整形及处理系统6、探测光衍射分光装置7和偏振分光镜8，设置于偏振分光镜8出射输出端后的四分之一波片9，设置于四分之一波片9和泵浦光能量回收反射镜3之间的第一探测光聚焦调整透镜10，顺次设置于偏振分光镜8出射输出端后的第二探测光聚焦调整透镜11、空间滤波器阵列12、滤光片13和光电探测器阵列14。

见图1，大口径光学元件光学特性的快速检测方法，包括以下步骤：

（1）、由泵浦光源1发出的泵浦光束经过泵浦光束整形及处理系统2（内含泵浦光束振幅调制器）后变成光强被调制的、光束横向尺寸适度的泵浦光束；光束入射到被测样品15的表面，并在被测样品15表面的第一个测量点上产生光热效应，引起表面局部热形变；经被测样品15第一个测量点反射出的泵浦光又被泵浦光能量回收反射镜3反射到被测样品15上，在被测样品15表面上的第二个测量点也引起表面局部热形变；如此类推，泵浦光经能量回收反射镜后多次与被测样品表面相互作用，在被测样品表面的测量点1到测量点N都引起了表面局部热形变。被测样品表面上每个测量点的泵浦光光功率都大于最低光热测量的光功率值；

（2）、由探测光源5发出的探测光束经过探测光光束整形及处理系统6后被探测光衍射分光装置7分为有N束光束组成的探测光束组；探测光束组经过偏振分光镜8，偏振分光镜8设置的状态为入射探测光束组为透射状态；经过偏振分光镜8的探测光束组透过四分之一波片9后，由第一探测光聚焦调整透镜10会聚，照射到被测样品上，并且与泵浦光束在被测样品15上产生的第1到第N个测量点重合，即探测光束组中每一束探测光束都对应于泵浦光束在被测样品表面上的一个测量点；

（3）、由被测样品15反射出来的探测光束组再依次经过第一探测光聚焦调整透镜10和四分之一波片9，四分之一波片9设置的状态使得探测光束组第二次经过四分之一波片9后，其偏振态相比第一次经过四分之一波片9前旋转90度；第二次经过四分之一波片9的探测光束组由偏振分光镜8反射并经由第二探测光聚焦调整透镜11会聚、经过空间滤波器阵列12和滤光片13后进入光电探测器阵列14中。

具体检测过程是：经过调制的泵浦光束照射到被测样品15的表面，并通过泵浦光能量回收反射镜多次与被测样品15的表面相互作用，在被测样品15的表面的测量点1到测量点N都引起了表面局部热形变。这N个测量点的表面局部热形变将相应的引起经过该点的探测光束传播特性的变化，产生新增的会聚或发散效应。由于这种新增的会聚或发散效应，经过空间滤波器阵列12的探测光能量会发生相应的改变，由光电探测器阵列14测得。光电探测器阵列14的输出信号利用锁相检测技术进行测量。再根据探测光束的编号以及其对应的测量点，就可以获得空间分辨的测量信号分布。这种空间分布的测量信号经过适当定标处理后就可以转化成被测样品的空间分布的光吸收信息。

实施例2

见图2，大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源1，设置于泵浦光源1后端的泵浦光光束整形及处理系统2，泵浦光能量回收反射镜3，泵浦光束吸收装置4，探测光源5，顺次设置于探测光源5输出端后的探测光光束整形及处理系统6、探测光光斑形状变换装置7和偏振分光镜8，设置于偏振分光镜8出射输出端后的四分之一波片9，设置于四分之一波片9和泵浦光能量回收反射镜3之间的第一探测光聚焦调整透镜10，顺次设置于偏振分光镜8反射输出端后的第二探测光聚焦调整透镜11、空间滤波器阵列12、滤光片13和光电探测器阵列14。

见图2，大口径光学元件光学特性的快速检测方法，包括以下步骤：

（1）、由泵浦光源1发出的泵浦光束经过泵浦光束整形及处理系统2（内含泵浦光束振幅调制器）后变成光强被调制的、光束横向尺寸适度的泵浦光束；光束入射到被测样品15的表面，并在被测样品15表面的第一个测量点上光热效应，引起表面局部热形变；经被测样品15第一个测量点反射出的泵浦光又被泵浦光能量回收反射镜3反射到被测样品15上，在被测样品15表面上的第二个测量点也引起表面局部热形变；如此类推，泵浦光经能量回收反射镜后多次与被测样品表面相互作用，在被测样品表面的测量点1到测量点N都引起了表面局部热形变。被测样品表面上每个测量点的泵浦光光功率都大于最低光热测量的光功率值；

（2）、由探测光源5发出的探测光束经过探测光光束整形及处理系统6后被探测光光斑形状变换装置7整形成一束线形或椭圆形探测光斑，探测光斑的长轴方向与N个测量点的排列方向相一致；探测光斑经过偏振分光镜8，偏振分光镜8设置的状态为探测光斑为透射状态；经过偏振分光镜8的探测光斑透过四分之一波片9后，由第一探测光聚焦调整透镜10会聚，照射到被测样品15上，并在被测样品表面所有的测量点位置与泵浦光束重叠；

（3）、由被测样品15反射出来的探测光斑再依次经过第一探测光聚焦调整透镜10和四分之一波片9，四分之一波片9设置的状态使得探测光斑第二次经过四分之一波片9后，其偏振态相比第一次经过四分之一波片9前旋转90度；第二次经过四分之一波片9的探测光斑由偏振分光镜8反射并经由第二探测光聚焦调整透镜11会聚、经过空间滤波器阵列12和滤光片13后进入光电探测器阵列14中。光电探测器阵列14的检测过程同实施例1。

线形或者椭圆型探测光光斑不是均匀的，因此其入射到每一个探测器时其直流信号不同，在实际使用中必须以适当方式进行校正；线型或者椭圆型探测光光斑的不同区域分别覆盖在测量点1到N，这些点的信号在理论上是相互作用的，因此方法只适用于微弱吸收测量在测量点1到N每点信号都很弱的情况下，他们之间的相互作用作为二阶效应可以忽略。

Claims

1.大口径光学元件光学特性的快速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大口径光学元件光学特性的快速检测方法，其特征在于：所述的探测光束是由N束光束组成的探测光束组，每一束探测光束对应一个测量点；或是一束线形或椭圆形探测光斑，探测光斑的长轴方向与N个测量点的排列方向相一致，并且与所有测量点重叠。

3.大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源、探测光源、光电探测器阵列、设置于光电探测器阵列前端的滤光片和空间滤波器阵列，其特征在于：所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置还包括有泵浦光能量回收反射镜，泵浦光束吸收装置，顺次设置于探测光源输出端后的探测光束整形装置和偏振分光镜，设置于偏振分光镜透射输出端后四分之一波片；所述的空间滤波器阵列、滤光片和光电探测器阵列均设置于偏振分光镜反射输出端后。

4.根据权利要求3所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置，其特征在于：所述的探测光束整形装置选用探测光衍射分光装置或探测光光斑形状变换装置。

5.根据权利要求3所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置，其特征在于：所述的探测光源和探测光束整形装置之间设置有探测光光束整形及处理系统；所述的泵浦光源的后端设置有泵浦光光束整形及处理系统。

6.根据权利要求3所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置，其特征在于：所述的四分之一波片的输出端后和偏振分光镜反射输出端后均设置有探测光聚焦调整透镜。