CN102873455A

CN102873455A - 一种大口径光学元件激光预处理的方法及装置

Info

Publication number: CN102873455A
Application number: CN2012103521016A
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: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公开了一种大口径光学元件激光预处理的方法及装置，首先将激光光束照射到被处理样品表面上的处理点1进行辐照预处理，由处理点1反射出来的激光光束经激光能量回收反射镜后再次照射到被处理样品表面上的处理点2；如此类推，激光光束经激光能量回收反射镜后多次与被处理样品表面相互作用，在被处理样品表面上的处理点1到处理点N均进行辐照预处理。本发明利用光能量回收反射镜对激光能量进行回收重复利用，实现样品表面多点并行处理，从而大幅度提高大口径光学元件激光预处理速度。该方法和装置可以用于光学薄膜缺陷修复、激光反射元件表面清洁、光学高反射率薄膜激光预处理等多个领域，特别适用于对大口径光学元件的快速预处理以提高其抗激光破坏能力。

Description

一种大口径光学元件激光预处理的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学材料激光预处理领域，特别是一种通过激光能量回收重复利用来大幅度提高大口径光学元件激光预处理速度的方法及装置。

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及微观缺陷要求较高，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。

改善大口径光学元件吸收特性及微观缺陷的有效方法之一就是激光预处理技术。该技术采用合适的激光预处理工艺，对大口径光学元件在合适的激光参数下进行100%覆盖的表面预处理，从而大幅度提高该光学元件的抗激光损伤能力。这种激光预处理工艺和设备不仅是提高激光薄膜激光损伤阈值的常用手段，更是大型强激光工程系统中必备的工具。

对于光学元件，特别是对用于强激光系统的微弱吸收光学元件，其激光预处理系统对所用激光器的性能要求很高，特别是系统输送到被处理样品表面的激光功率密度或能量密度必须达到合理的水平：激光预处理一般都是在“亚破坏阈值”条件下进行，即样品表面的激光功率密度或能量密度低于但却接近被处理元件激光损伤阈值。

由于用于大型强激光系统中的微弱吸收光学元件通常破坏阈值要求较高，通常的商用激光器必须聚焦在样品表面上才能够满足激光预处理所要求的激光功率或能量密度要求。例如，对纳秒量级的波长1.06微米的强激光元件，普通商用激光器一般要在样品表面聚焦到1毫米 x 1毫米以下才能满足激光预处理的要求。

这样一来，激光应用于大口径光学元件的预处理时将会受到很大限制。主要原因是预处理速度太慢。一方面由于激光器一般要在样品表面聚焦到很小，以达到预处理所要求的激光功率密度或能量密度；另一方面激光预处理工艺通常需要在同一点辐照多次，同时又要对样品上每一点都覆盖到，因此需要进行二维扫描。这样的二维扫描过程通常需要花费很长的时间。

表1计算了在不同激光处理工艺条件下完成一件面积为（1米 X 1米）的光学元件激光处理所需要的时间，表中时间单位为小时。由表中可以看出，使用1Hz重复频率激光器，即使光斑尺寸为1毫米X 1毫米，完成一件面积为（1米 X 1米）的光学元件的预处理所需要的时间分别为：当采用辐照模式1-on-1时需要277.78小时；当采用辐照模式N-on-1（N=5）时需要1388.89小时；当采用辐照模式R-on-1（R=10）时需要2777.78小时。

当使用30Hz重复频率激光器，光斑尺寸保持为1毫米X 1毫米，完成一件面积为（1米 X 1米）的光学元件的预处理所需要的时间分别为：当采用辐照模式1-on-1时需要9.26小时；当采用辐照模式N-on-1（N=5）时需要46.30小时；当采用辐照模式R-on-1（R=10）时需要92.59小时。

这里特别需要指出的是，科学研究表明在多数情况下激光预处理效果以R-on-1的辐照模式最为显著。而上述计算表明，R-on-1的辐照模式恰恰也是费时最长的激光预处理模式。

由以上计算及分析可以看出，激光预处理技术直接用于大口径光学元件的处理在实际应用中耗时过长，特别是当采用R-on-1的辐照模式时，距离实用要求还相差甚远。

表1.在不同激光处理工艺条件下完成一件（1米 X 1米）光学元件激光处理所需要的时间，单位为小时。（说明：辐照模式1-on-1是指对样品的每一点只在特定激光能量密度下辐照处理一次；辐照模式N-on-1是指对样品的每一点都在特定的激光能量密度下辐照处理N次，表中计算处理时间时使用了N=5；辐照模式R-on-1是指对样品的每一点都按从小到大不同的激光能量密度进行辐照处理R次，表中计算处理时间时使用了R=10）。

Figure 2012103521016100002DEST_PATH_IMAGE001

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激光预处理的方法及装置，解决利用激光预处理技术提高大口径光学元件激光损伤阈值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：

一种大口径光学元件激光预处理的方法，包括以下步骤：首先将激光光束入射到被处理样品-大口径光学元件的表面，并对被处理样品表面上的处理点1进行辐照预处理，然后由被处理样品表面上的处理点1反射回来的激光光束经激光能量回收反射镜反射后再次照射到被处理样品表面上的处理点2进行辐照预处理；如此类推，激光经激光能量回收反射镜后多次与被处理样品表面相互作用，在被处理样品表面上的处理点1到处理点N均进行辐照预处理。

所述的预处理激光光束在入射到大口径光学元件被处理样品的表面前，经过激光光束能量调整控制系统和预处理激光光束整形处理系统。

一种大口径光学元件激光预处理的装置，包括有预处理激光光源和相对被处理样品表面设置的激光能量回收反射镜。

所述的激光光源的后端设置有预处理激光光束能量调整控制系统和预处理激光光束处理系统。

所述的激光光源的后端设置有光学楔板，光学楔板的第一反射输出端后设置有CCD成像系统，其第二反射输出端后设置有分光装置，分光装置的两分光输出端后分别设置有光电探测器和激光能量测量系统。

所述的预处理激光束光能量回收反射镜的侧部设置有激光光束吸收装置。

所述的大口径光学元件激光预处理的装置还包括有相对被处理样品背面设置的照明及成像系统。

本发明的原理见图1所示：用于激光处理的激光光束入射到被处理样品表面12上的处理点1，该点激光功率为P₁；被处理样品12通常为大口径高反射率激光反射镜，其反射率为R₁。在被处理样品12邻近区域放有一片与被处理样品表面平行的预处理激光束光能量回收反射镜9，其反射率为R₂。激光光束经过处理点1后由被处理样品反射，再经预处理激光束光能量回收反射镜反射后再次入射到被处理样品表面上的处理点2，该点激光光功率为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，处理点N的激光光功率为P_N，P_N与光功率P₁满足如下关系：

P_N=(R₁R₂)^（N-1）P₁ (2)，

假设激光能量回收反射镜反射率为R₂=99.98%，表2列出了在四种不同样品反射率R₁的情况下在样品不同处理点（处理点1到处理点100）的激光光功率相对于其处理点1激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，即在处理点N=100处，其激光光功率还有在处理点1处光功率的93%；当R₁=99.5%时，在经过100次回收利用后，即在处理点N=100处，其激光光功率还有在处理点1处光功率的60%；当R₁=99%时，在经过100次回收利用后，即在处理点N=100处，其激光光功率还有在处理点1处光功率的36%。当R₁=98%时，在经过100次回收利用后，即在处理点N=100处，其激光光功率只有在处理点1处光功率的13%，已经很低,但是在N=50处，其激光功率还有在处理点1处光功率的37%。

表2.在四种不同样品反射率R₁情况下的处理点N的激光光功率相对于其处理点1的激光光功率之间的关系P_N/P₁。

[0024] 在没有预处理激光束光能量回收反射镜9时激光相对被处理样品12的扫描是逐点进行的，被处理样品12相对激光横向一次扫描完成后被处理样品12表面上将形成一条已经处理好的细线区域。当使用预处理激光束光能量回收反射镜9时激光相对被处理样品12的扫描是N点同时进行的，被处理样品12相对激光横向一次扫描完成后被处理样品12表面上将形成N条已经处理好的细线区域（见图2）。这样一来，被处理样品12预处理速度将提高N倍。

由以上计算与分析可以看出，本发明描述的基于激光能量回收再利用的基本原理对多数高反射率反射镜都可以回收利用激光50次到100次以上，相关预处理设备在激光功率不变的情况下预处理速度因此可以得到相应倍数的提高。

表3. 采用激光能量回收再利用技术可以大幅度减少激光预处理的时间。表中数字假设预处理系统把激光回收再利用了100次后在不同激光处理工艺条件下完成一件（1米 X 1米）光学元件激光处理所需要的时间，单位为小时。（说明：辐照模式1-on-1是指对样品的每一点只在特定激光能量密度下辐照处理一次；辐照模式N-on-1是指对样品的每一点都在特定的激光能量密度下辐照处理N次，表中计算处理时间时使用了N=5；辐照模式R-on-1是指对样品的每一点都按从小到大不同的激光能量密度进行辐照处理R次，表中计算处理时间时使用了R=10）。

Figure 2012103521016100002DEST_PATH_IMAGE003

由表3中可以看出，当使用30Hz重复频率激光器，光斑尺寸保持为1毫米X 1毫米，完成处理完成一件面积为（1米 X 1米）的光学元件激光处理所需要的时间分别为：当采用辐照模式1-on-1时需要0.09小时；当采用辐照模式N-on-1（N=5）时需要0.46小时；当采用辐照模式R-on-1（R=10）时需要0.93小时。相关预处理技术在处理时间上变得切实可行，在处理成本上将会由于处理时间的大幅缩短而大幅度降低。

本发明在使用R-on-1或N-on-1的辐照模式时，对不同处理点使用的激光功率可以通过合理组合被处理件的反射率和特定设计的能量回收镜的反射率来达到具体工艺技术的需求。当在被处理件的反射率很高的情况下，可以根据具体工艺对激光功率的要求，合理设计能量回收镜的反射率，从而合理控制对处理点使用的激光功率或能量密度。

本发明也适用于中小型口径光学元件的激光预处理。在用于中小型口径光学元件时，本发明可以在保持预处理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激光预处理系统的成本、体积和重量。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明处理后的样品的结构示意图。

图3是本发明具体实施方式中大口径光学元件激光预处理装置的结构示意图。

具体实施方式

见图3，一种大口径光学元件激光预处理的装置，包括有预处理激光光源1，激光光源1后端的顺次设置有预处理激光光束能量调整控制系统2、预处理激光光束整形处理系统3和光学楔板4，设置于光学楔板4第一反射输出端后的CCD成像系统5，设置于光学楔板4第二反射输出端后的分光装置6，分别设置于分光装置6两分光输出端后的光电探测器7和激光能量测量系统8，相对被处理的光学反射镜样品12表面设置的预处理激光束光能量回收反射镜9，设置于预处理激光束光能量回收反射镜9的侧部且相对被处理的光学反射镜样品12表面设置的出射与处理激光光束吸收装置10，相对设置于被处理的光学反射镜样品12背面的照明及成像系统11。

一种大口径光学元件激光预处理的方法，包括以下步骤：

（1）、由预处理激光光源1发出的激光光束经过预处理激光光束能量调整控制系统2和激光光束处理系统3后被光学楔板4分成能量较小的两束反射光束和一束能量较大的透射光束；

（2）、第一束反射光束进入CCD成像系统5，用来对预处理激光光束进行光束质量检测和监测；第二束反射光束被分光装置6分出两束光，其中一束光进入激光能量测量系统8用来检测和监测激光束的能量，另一束光进入光电探测器7，光电探测器7用来对激光脉冲进行脉冲性状检测和监测，同时也用来进行对脉冲数量进行计数和对激光预处理系统进行其他控制；

（3）、透过分光楔板4的透射光束入射到被处理的光学反射镜样品12的表面上，并对被处理的光学反射镜样品12表面上的处理点1进行辐照预处理，经被处理的光学反射镜样品12表面反射出的预出理激光光束被预处理激光束光能量回收反射镜9反射到被处理的光学反射镜样品12上，对被处理的光学反射镜样品12表面上的处理点2进行辐照预处理；如此类推，直到对被处理的光学反射镜样品12表面上的第N个处理点辐照处理完毕后从样品表面反射（为简化起见，图3中只画到N=3），逃逸出激光能量回收反射镜9后被光束吸收装置10吸收消耗；样品激光预处理的实时监测通过照明及成像系统11来完成。

照明及成像系统其组成部分通常包括可见波段的激光照明系统和对散射光敏感的光学成像系统，照明及成像系统由计算机进行控制和数据采集处理。

Claims

1.一种大口径光学元件激光预处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将预处理激光光束入射到被处理样品-大口径光学元件的表面，并对被处理样品表面上的处理点1进行辐照预处理，然后由被处理样品表面上的处理点1反射回来的激光光束经激光能量回收反射镜反射后再次照射到被处理样品表面上的处理点2进行辐照预处理；如此类推，激光经激光能量回收反射镜后多次与被处理样品表面相互作用，在被处理样品表面上的处理点1到处理点N均进行辐照预处理。

2.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件激光预处理的方法，其特征在于：所述的预处理激光光束在入射到被处理样品的表面前，经过激光能量调整控制系统和激光光束整形处理系统。

3.一种大口径光学元件激光预处理的装置，包括有激光光源，其特征在于：还包括有相对被处理样品表面设置的激光能量回收反射镜。

4.根据权利要求3所述的一种大口径光学元件激光预处理的装置，其特征在于：所述的激光光源的后端设置有预处理激光能量调整控制系统和激光光束处理系统。

5.根据权利要求3所述的一种大口径光学元件激光预处理的装置，其特征在于：所述的激光光源的后端设置有光学楔板，光学楔板的第一反射输出端后设置有CCD成像系统，其第二反射输出端后设置有分光装置，分光装置的两分光输出端后分别设置有光电探测器和激光能量测量系统。

6.根据权利要求3所述的一种大口径光学元件激光预处理的装置，其特征在于：所述的激光能量回收反射镜的侧部设置有激光光束吸收装置。

7.根据权利要求3所述的一种大口径光学元件激光预处理的装置，其特征在于：所述的大口径光学元件激光预处理的装置还包括有相对被处理样品背面设置的照明及成像系统。