CN102944378A - 一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，该方法利用紫外光学元件在紫外光照射下由于缺陷等的存在而产生荧光的特性，通过测量荧光强度分布及荧光强度与入射激光强度的关系计算得到紫外激光器输出光束分布特性。由于紫外光学元件损伤阈值高，并且在紫外光照射下产生的荧光相对较弱，本方法可对高功率紫外激光器输出光束特性直接测量，不需要使用光束取样器件和能量衰减装置对激光束进行衰减，不存在由于光束取样器件和衰减器件引起的测量误差。
Description
技术领域
本发明提出一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，利用紫外光学元件在紫外激光照射下，由于缺陷等的存在而产生荧光的特性，通过测量荧光强度分布及荧光强度与入射紫外光能量的关系计算得到紫外激光器输出光束分布特性。
背景技术
在紫外光束特性测试系统中，对紫外光信号进行成像有两种方法：一是用对紫外光响应的紫外成像器件直接成像；二是先将紫外光信号转换成常规波段光信号，然后用常规波段的光成像器件对其成像。紫外光信号转换成常规波段光信号主要通过荧光材料实现。荧光材料主要包括硫化锌类荧光粉和绿色、红色荧光粉等，有铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐及硅酸盐四大体系，该类材料的合成工艺较复杂，成本高，材料稳定性差，亮度低。当将该两种方法应用于高功率紫外激光器输出光束特性测量中时，为了不损坏紫外成像器件及紫外光信号至常规波段光信号转换器件，常使用光束取样器件和衰减器对高功率紫外激光光束采样和衰减。由于光学器件响应的非线性和成像像差而引入激光光束分布特性的测量误差。另外，紫外光直接检测设备成本高，响应度低，寿命短，而紫外光学元件例如石英、氟化钙等，损伤阈值高，在紫外光照射下由于缺陷等的存在而产生荧光，可以利用该特性间接测量激光器输出光束分布特性。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，设计一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法。
本发明的技术解决方案：一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于测试步骤如下：
步骤（1）、高功率紫外激光器输出光束特性测试系统由紫外激光器、紫外光学元件、反射镜、滤光片、光束诊断相机及计算机组成；将紫外激光直接照射到紫外光学元件上，紫外光学元件在紫外激光照射下产生荧光，波长记为λ1,λ2...λi，所选用的紫外光学元件不同，产生的荧光光谱不同，通过滤光片选择照射到光束诊断相机上的荧光波长范围，光束诊断相机采集荧光强度分布并传输到计算机上；
步骤（2）、荧光强度分布P(x,y)是单一波长荧光强度分布或者是某一波长范围内荧光强度分布PΔλ(x,y)，或者是全部荧光强度分布
根据荧光强度分布及入射紫外光能量E与荧光强度P关系E＝f(P)计算得到紫外激光器输出光束分布E(x,y)；
步骤（3）、入射紫外光能量与荧光强度关系E＝f(P)未知的情况下，测量入射紫外光能量与荧光强度关系，该测量系统包括紫外激光器、可调衰减器、分束镜、两个能量计、紫外光学元件、反射镜、滤光片、光束诊断相机和计算机，通过可调衰减器改变入射激光能量，光束诊断相机测量不同入射激光能量时，紫外光学元件在紫外光照射下产生的荧光总强度
其中P'(x,y)为光束诊断相机探测到的荧光强度分布，荧光总强度为光束诊断相机每个像素探测到强度之和，同时监测入射到紫外光学元件上的紫外光总能量E，绘制P-E曲线并拟合得到入射紫外光能量与荧光强度关系E＝f(P)；
步骤（4）、入射到紫外光学元件上的紫外光能量通过测量紫外光学元件前分束镜反射光能量得到，需要确定分束镜分光比，通过分束镜将经过可调衰减器的紫外光分为两束，分别照射到不同的能量计上，改变衰减器衰减倍数，计算机同时采集不同入射光强时分束镜反射光能量ER及透射光能量ET，绘制ER-ET曲线并进行线性拟合得到分束镜分光比A＝ET/ER，则入射到紫外光学元件上的紫外光能量通过测量分束镜反射光能量得到，即E＝ET＝A×ER。
本发明所使用的紫外光学元件可以是石英、氟化钙或氟化镁。
所述步骤（1）中为了不损坏滤光片及光束诊断相机，透射紫外光不能直接照射到滤光片或光束诊断相机上，而是错开一定角度直到透射光束不能照射到滤光片或光束诊断相机上为止。
所述步骤（1）中可以测量紫外光学元件后向荧光强度分布，也可以测量紫外光学元件前向荧光强度分布（图中虚线），通过数据处理方法可以有效减小测量角度引起的误差。
所述步骤（1）中所用紫外光学元件厚度会引起测量误差，可以通过数据处理方法消除，也可以使用尽量薄（厚度2mm或者更薄）的紫外光学元件。
所述步骤（1）中所用光束诊断相机也可以用其它光束成像设备替代。
所述步骤（2）中光束诊断相机测量的荧光强度分布和入射紫外光能量与荧光强度关系中提到的荧光强度具有相同的波长范围。
所述步骤（3）中所用光束诊断相机也可以用其它光谱响应相同的光电探测器件替代。
所述步骤（3）和（4）中所用能量计测量分束镜反射光及透射光能量，也可以选用其它能反应光强变化的测量器件。
当紫外激光器波长低于200nm时，整个测试过程在密封的高纯氮气环境下进行。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）本发明不需要激光光束取样器件及能量衰减装置，不存在光束取样器件和衰减器引入的误差；
（2）与紫外激光器输出光束特性直接测量方法相比，本发明使用常规波段光电探测器件，具有成本低以及不易损坏等优点。
附图说明
图1为高功率紫外激光器输出光束特性测试系统示意图；
图2为紫外光学元件在紫外光照射下产生荧光强度与入射紫外光强度关系确定中分束镜定标系统示意图；
图3为紫外光学元件在紫外光照射下产生荧光强度与入射紫外光强度关系确定系统示意图。
具体实施方式
如图1所示为高功率紫外激光器输出光束特性测试系统示意图，该系统由紫外激光器1、紫外光学元件2、反射镜3、滤光片4、光束诊断相机5、气体阀门6、计算机7及光束收集器8组成。整个测试系统密封在充满高纯氮气的箱体中，测试前通过阀门6排出箱体内空气。紫外激光器1为193nm ArF准分子激光器，紫外光学元件2为紫外石英光学元件，紫外激光器输出光束直接照射到紫外石英光学元件上，由于缺陷等的存在，产生481nm和650nm荧光，经过滤光片后，光束诊断相机对λ＝650nm可见荧光直接成像，得到荧光强度分布P650nm(x,y)，滤光片可以选择Thorlabs公司的带通滤光片FB650-40，中心波长为650nm，带宽为40nm。
测量入射紫外光能量与650nm荧光强度关系，首先测量分束镜10分光比。如图2所示，通过可调衰减器9改变入射到分束镜10前的紫外光能量，每改变一次入射光能量，计算机同时记录分束镜反射光能量ER及透射光能量ET，即能量计11和能量计12测量值，绘制ER-ET曲线并进行线性拟合得到分束镜分光比A＝ET/ER。
分束镜分光比确定后，在分束镜后依次放入紫外石英光学元件2、反射镜3、滤光片4、光束诊断相机5，如图3所示，同样改变衰减器衰减倍数，同时测量分束镜反射光能量，此时入射到紫外石英光学元件的激光能量可以通过分束镜反射光能量得到，即E＝ET＝A×ER；测量分束镜反射光能量的同时，通过光束诊断相机监测波长为650nm的荧光总强度其中P′650nm(x,y)为光束诊断相机探测到的荧光强度分布，荧光总强度为光束诊断相机每个像素探测到强度之和，根据测量数据绘制E-P650nm曲线并进行拟合得到E和P650nm的关系E＝f(P650nm)。根据紫外激光器输出光束直接照射到紫外石英光学元件时测量的荧光强度分布P650nm(x,y)及入射光能量与荧光强度关系E＝f(P650nm)计算得到193nm准分子激光器输出光束分布E(x,y)。
同样也可以测量波长为481nm荧光强度分布或者总的荧光强度分布及相应波段荧光强度与入射光能量关系计算得到激光器输出光束分布特性。
Claims (10)
1.一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于测试步骤如下：
步骤（1）、高功率紫外激光器输出光束特性测试系统由紫外激光器、紫外光学元件、反射镜、滤光片、光束诊断相机及计算机组成；将紫外激光直接照射到紫外光学元件上，紫外光学元件在紫外激光照射下产生荧光，波长记为λ1,λ2...λi，所选用的紫外光学元件不同，产生的荧光光谱不同，通过滤光片选择照射到光束诊断相机上的荧光波长范围，光束诊断相机采集荧光强度分布并传输到计算机上；
步骤（2）、荧光强度分布P(x,y)是单一波长荧光强度分布
或者是某一波长范围内荧光强度分布PΔλ(x,y)，或者是全部荧光强度分布
根据荧光强度分布及入射紫外光能量E与荧光强度P关系E＝f(P)计算得到紫外激光器输出光束分布E(x,y)；
步骤（3）、入射紫外光能量与荧光强度关系E＝f(P)未知的情况下，测量入射紫外光能量与荧光强度关系，该测量系统包括紫外激光器、可调衰减器、分束镜、两个能量计、紫外光学元件、反射镜、滤光片、光束诊断相机和计算机，通过可调衰减器改变入射激光能量，光束诊断相机测量不同入射激光能量时，紫外光学元件在紫外光照射下产生的荧光总强度
其中P'(x,y)为光束诊断相机探测到的荧光强度分布，荧光总强度为光束诊断相机每个像素探测到强度之和，同时监测入射到紫外光学元件上的紫外光总能量E，绘制P-E曲线并拟合得到入射紫外光能量与荧光强度关系E＝f(P)；
步骤（4）、入射到紫外光学元件上的紫外光能量通过测量紫外光学元件前分束镜反射光能量得到，需要确定分束镜分光比，通过分束镜将经过可调衰减器的紫外光分为两束，分别照射到不同的能量计上，改变衰减器衰减倍数，计算机同时采集不同入射光强时分束镜反射光能量ER及透射光能量ET，绘制ER-ET曲线并进行线性拟合得到分束镜分光比A＝ET/ER，则入射到紫外光学元件上的紫外光能量通过测量分束镜反射光能量得到，即E＝ET＝A×ER。
2.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述的紫外光学元件可以是石英、氟化钙或氟化镁。
3.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述步骤（1）中为了不损坏滤光片及光束诊断相机，透射紫外光不能直接照射到滤光片或光束诊断相机上，而是错开一定角度直到透射光束不能照射到滤光片或光束诊断相机上为止。
4.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述步骤（1）中可以测量紫外光学元件后向荧光强度分布，也可以测量紫外光学元件前向荧光强度分布，通过数据处理方法可以有效减小测量角度引起的误差。
5.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述步骤（1）中所用紫外光学元件厚度会引起测量误差，可以通过数据处理方法消除，也可以使用厚度2mm或者更薄的紫外光学元件。
6.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述步骤（1）中所用光束诊断相机也可以用其它光束成像设备替代。
7.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述步骤（2）中光束诊断相机测量的荧光强度分布和入射紫外光能量与荧光强度关系中提到的荧光强度具有相同的波长范围。
8.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述步骤（3）中所用光束诊断相机也可以用其它光谱响应相同的光电探测器件替代。
9.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于所述步骤（3）和（4）中所用能量计测量分束镜反射光及透射光能量，也可以选用其它能反应光强变化的测量器件。
10.根据权利要求1所述的一种高功率紫外激光器输出光束特性测试方法，其特征在于当紫外激光器波长低于200nm时，整个测试过程在密封的高纯氮气环境下进行。
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