CN102841097A - 基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法及测量装置，所述的方法包括以下步骤：将被测样品固定在电动平移台上，获得泵浦激光器辐照前后被测样品的每个测量点的图像序列；比较辐照前后获得的图像序列，根据差异判断样品是否发生损伤，并控制被测样品回到发生损伤的位置，对损伤点进行进一步检验；提升泵浦激光器的能量，重复获得辐照后的被测样品图像序列，即可实现被测样品相同区域在泵浦激光不同能量辐照下的测量；所述的装置包括用于发射泵浦激光的泵浦激光器、用于带动被测样品移动的电动平移台、照明电源和实时监测并获取被测样品图像的损伤监控组件。与现有技术相比，本发明具有损伤识别精度高、装置结构简单等优点。

Description

基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及一种光学元件抗激光损伤测试的方法及装置，尤其是涉及一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法及测量装置。
背景技术
光学元件在激光加工、激光武器以及高功率激光系统等领域有着广泛的应用，是光学系统中必不可少的基本元件。而随着激光器输出能量的不断提高，光学元件的激光损伤阈值已成为制约强激光技术进一步发展的关键因素，也是限制激光技术向高能量、高功率方向发展的薄弱环节。为了深入分析光学元件的损伤性能和损伤机制，准确评价光学元件的抗激光损伤能力，需要不断地发展和完善激光损伤阈值的测量技术，从而指导薄膜制备工艺的优化和改进。
目前国际上存在的激光损伤阈值测试方法最主要有1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描四种，其中1-on-1和S-on-1是基于ISO 11254-1和11254-2、被广泛认可的测量方案，有着明确的测量规范和步骤；R-on-1和光栅扫描是依据对元件损伤性能认识的基础上提出的建议性测量方案，反映了光学元件的某种损伤特性，在某种程度上表征了元件的抗激光辐照能力，但并没有建立完全明确的测量规范。特别是对于光栅扫描方式，属于对样品进行大面积扫描，根据扫描面积和扫描能量梯度的选择，其测量时间可能会持续几个小时至十几个小时。当发生初始损伤后，需要在后期对发生初始损伤的位置进行损伤生长测量，以确保初始损伤结构的稳定性和安全性。因此，需要对发生初始损伤的位置进行精确定位，并能够后期准确回到原始位置以能够进行进一步测量研究。
目前，在光栅扫描损伤阈值测量中，主要利用光电信号的变化来判断损伤的发生时刻。利用光电探测器实时监测待测点的散射信号，当损伤发生时散射信号会显著增强，一般定义散射信号增强1.5～2倍时认定样品损伤，并记录下此时电机坐标以待后期复位确认。然而，光电信号检测技术是一种间接识别方式，不能直接获得损伤点的相关数据，并且其识别精度受限于损伤点处散射光强度的大小和信号校准精度；此外，由光电信号发生变化、损伤判定、电机坐标读取，涉及多个软件分析过程，将引入一定的计算时间和延迟时间，造成实际坐标与读取坐标存在偏差。特别是在电机高速运动下，速度一般大于2mm/s，此时每1ms的延迟都将导致至少2μm的坐标位置偏差，而数据采集、分析判断等过程一般会造成几个ms、甚至是几十ms的延迟，因此大大降低了损伤点坐标的识别精度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种损伤识别精度高、装置结构简单的基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法及测量装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)将被测样品固定在电动平移台上，电动平移台控制被测样品作光栅轨迹移动，照明光源对被测样品进行照明，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置；
(2)泵浦激光器辐照前，计算机对被测样品的各测量点进行图片采集，获得一组图像序列，记为N0xy；
(3)泵浦激光器辐照被测样品，计算机再次对被测样品的各测量点进行图片采集，获得一组图像序列，记为N1xy，；
(4)计算机比较N0xy和N1xy中每个x和y位置下图像的差异，出现超过尺寸容差的缺陷点时，判断样品发生损伤，并记录下x和y的坐标位置；
(5)计算机控制电动平移台移动，使被测样品回到x和y的坐标位置，对损伤点进行进一步检验；
(6)提升泵浦激光器的能量，重复步骤(3)-步骤(5)，实现被测样品相同区域在泵浦激光不同能量辐照下的测量。
所述的对被测样品的各测量点进行图片采集具体为：
计算机控制泵浦激光器发送外触发信号a至电动平移台，控制电动平移台作光栅轨迹移动，电动平移台接收到外触发信号a后移动到下一个测量点并立即停止；
计算机控制泵浦激光器发送外触发信号b至外触发式相机，控制外触发式相机通过在线显微镜对电动平移台每次停止时的被测样品进行拍照，外触发式相机将拍摄到的图像发送至计算机。
所述的外触发式相机的拍照频率与泵浦激光器输出频率一致，并且保持固定的时间间隔。
所述的光栅轨迹移动具体为：x方向总的移动距离为Sx，移动间隔为Dx，y方向总的移动距离为Sy，移动间隔为Dy，测量点的总个数N为：
N＝(Sx/Dx)×(Sy/Dy)。
所述的移动间隔Dx和Dy与泵浦激光器的激光光斑直径相关。
所述的泵浦激光器的工作频率是10Hz，所述的泵浦激光器的信号输出频率是10Hz，所述的电动平移台的移动频率是10Hz，所述的外触发式相机的拍照频率是10Hz。
一种实施基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法的测量装置，包括
泵浦激光器，用于发射泵浦激光辐照被测样品；
电动平移台，与泵浦激光器连接，用于放置被测样品，并带动被测样品作光栅轨迹移动；
照明电源，设置在电动平移台上方，对被测样品进行照明；
损伤监控组件，与泵浦激光器连接，实时监测并获取被测样品的图像；
计算机，分别连接泵浦激光器、电动平移台和损伤监控组件，控制泵浦激光器外触发信号的发射和电动平移台的移动。
所述的损伤监控组件由相连的在线显微镜和外触发式相机组成，所述的外触发式相机分别与泵浦激光器和计算机连接。
与现有技术相比，本发明提出了能够高精度复位的光栅扫描式损伤阈值测量方案，利用工作频率为10Hz的泵浦激光器的外触发信号同时控制电动平移台的移动和外触发式相机拍照，获得被测样品位置、泵浦激光器的脉冲激光和图像准确的对应关系，比较分析每个位置在激光辐照前后图像的差异，以此判断是否发生损伤，并能够精确复位做进一步验证，具有损伤识别精度高、装置结构简单等优点。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2a为本发明中泵浦激光辐照前被测样品的图像；
图2b为本发明中泵浦激光辐照后被测样品的图像；
图3为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，该方法包括以下步骤：
在步骤S101中，将被测样品固定在电动平移台上，电动平移台控制被测样品作光栅轨迹移动，照明光源对被测样品进行照明，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置；
在步骤S102中，泵浦激光器辐照前，计算机对被测样品的各测量点进行图片采集，获得一组图像序列，记为N0xy，获得的图像如图2a所示。
所述的对被测样品的各测量点进行图片采集具体为：
计算机控制泵浦激光器发送外触发信号a至电动平移台，控制电动平移台作光栅轨迹移动，电动平移台接收到外触发信号a后移动到下一个测量点并立即停止；计算机控制泵浦激光器发送外触发信号b至外触发式相机，控制外触发式相机通过在线显微镜对电动平移台每次停止时的被测样品进行拍照，外触发式相机将拍摄到的图像发送至计算机。所述的外触发式相机的拍照频率与泵浦激光器输出频率一致，并且保持固定的时间间隔。
在步骤S103中，泵浦激光器辐照被测样品，类似于步骤S102，电动平移台作光栅轨迹移动，外触发式相机对被测样品的每个测量点进行拍照，获得一组图像序列，记为N1xy，获得的图像如图2b所示；
在步骤S104中，比较N0xy和N1xy中每个x和y位置下图像的差异，出现超过尺寸容差的缺陷点时，样品认为发生损伤，并记录下x和y的坐标位置；
在步骤S105中，计算机控制电动平移台移动，使被测样品回到x和y的坐标位置，对损伤点进行进一步检验，包括人工确认、损伤点大小深度研究等；
在步骤S106中，提升泵浦激光器的能量，重复步骤S103-步骤S105，直至到达能量上限值，实现被测样品相同区域在泵浦激光不同能量辐照下的测量。
所述的光栅轨迹移动具体为：x方向总的移动距离为Sx，移动间隔为Dx，y方向总的移动距离为Sy，移动间隔为Dy，测量点的总个数N＝(Sx/Dx)×(Sy/Dy)，移动间隔Dx和Dy的设定由泵浦激光器的激光光斑直径决定，Dx和Dy一般为0.2mm，电动平移台移动时间小于30ms。
所述的泵浦激光器的工作频率是10Hz，所述的泵浦激光器的信号输出频率是10Hz，所述的电动平移台的移动频率是10Hz，所述的外触发式相机的拍照频率是10Hz。
如图3所示，一种实施上述基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法的测量装置，包括泵浦激光器1，用于发射泵浦激光辐照被测样品2；电动平移台3，与泵浦激光器1连接，用于放置被测样品2，并带动被测样品2作光栅轨迹移动；照明电源4，设置在电动平移台3上方，对被测样品2进行照明；损伤监控组件，与泵浦激光器1连接，实时监测并获取被测样品2的图像；计算机，分别连接泵浦激光器、电动平移台和损伤监控组件，控制泵浦激光器外触发信号的发射和电动平移台的移动。所述的损伤监控组件由相连的在线显微镜6和外触发式相机5组成，所述的外触发式相机5与泵浦激光器1连接。电动平移台3和外触发相机5由泵浦激光器1的外触发信号控制。

Claims (8)

1.一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将被测样品固定在电动平移台上，电动平移台控制被测样品作光栅轨迹移动，照明光源对被测样品进行照明，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置；
(2)泵浦激光器辐照前，计算机对被测样品的各测量点进行图片采集，获得一组图像序列，记为N0xy；
(3)泵浦激光器辐照被测样品，计算机再次对被测样品的各测量点进行图片采集，获得一组图像序列，记为N1xy，；
(4)计算机比较N0xy和N1xy中每个x和y位置下图像的差异，出现超过尺寸容差的缺陷点时，判断样品发生损伤，并记录下x和y的坐标位置；
(5)计算机控制电动平移台移动，使被测样品回到x和y的坐标位置，对损伤点进行进一步检验；
(6)提升泵浦激光器的能量，重复步骤(3)-步骤(5)，实现被测样品相同区域在泵浦激光不同能量辐照下的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，其特征在于，所述的对被测样品的各测量点进行图片采集具体为：
计算机控制泵浦激光器发送外触发信号a至电动平移台，控制电动平移台作光栅轨迹移动，电动平移台接收到外触发信号a后移动到下一个测量点并立即停止；
计算机控制泵浦激光器发送外触发信号b至外触发式相机，控制外触发式相机通过在线显微镜对电动平移台每次停止时的被测样品进行拍照，外触发式相机将拍摄到的图像发送至计算机。
3.根据权利要求2所述的一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，其特征在于，所述的外触发式相机的拍照频率与泵浦激光器输出频率一致，并且保持固定的时间间隔。
4.根据权利要求1所述的一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，其特征在于，所述的光栅轨迹移动具体为：x方向总的移动距离为Sx，移动间隔为Dx，y方向总的移动距离为Sy，移动间隔为Dy，测量点的总个数N为：
N＝(Sx/Dx)×(Sy/Dy)。
5.根据权利要求4所述的一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，其特征在于，所述的移动间隔Dx和Dy与泵浦激光器的激光光斑直径相关。
6.根据权利要求1所述的一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法，其特征在于，所述的泵浦激光器的工作频率是10Hz，所述的泵浦激光器的信号输出频率是10Hz，所述的电动平移台的移动频率是10Hz，所述的外触发式相机的拍照频率是10Hz。
7.一种实施如权利要求1所述的基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法的测量装置，其特征在于，包括
泵浦激光器，用于发射泵浦激光辐照被测样品；
电动平移台，与泵浦激光器连接，用于放置被测样品，并带动被测样品作光栅轨迹移动；
照明电源，设置在电动平移台上方，对被测样品进行照明；
损伤监控组件，与泵浦激光器连接，实时监测并获取被测样品的图像；
计算机，分别连接泵浦激光器、电动平移台和损伤监控组件，控制泵浦激光器外触发信号的发射和电动平移台的移动。
8.根据权利要求7所述的一种基于高精度复位技术的损伤阈值测量装置，其特征在于，所述的损伤监控组件由相连的在线显微镜和外触发式相机组成，所述的外触发式相机分别与泵浦激光器和计算机连接。
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