CN103100792B - 带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置及方法，在激光处理或激光修复系统中引入非接触式在线检测系统，用于对光学元件的激光处理区域或者激光修复区域进行在线检测，确保处理和修复达到预期效果，无需再通过后续破坏实验来验证处理和修复效果，大大简化了大口径光学元件的加工制作过程，也大大节约了成本。本发明可以用于熔融石英、KDP晶体、BK7玻璃、以及各类其他激光材料及薄膜的激光预处理、激光损伤点修复等领域，特别适用于超大型激光系统中的大口径光学元件表面及亚表面缺陷点的激光预处理，以及表面及亚表面激光损伤点的激光修复。

Description

带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学元件激光处理及修复领域，具体是一种带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置及方法。

背景技术

在高功率或者高能量的强激光系统设计制造及其应用过程中，光学元件的激光损伤常常是制约相关系统运行水平的关键因素。这些光学元件的激光损伤阈值常常远低于用来制作该元件的材料本征损伤阈值。以用于激光惯性约束核聚变系统中的大口径熔融石英元件为例，其在355纳米紫外激光波段的破坏阈值远低于用来制作该元件的纯石英材料的本征阈值，是制约相关系统设计和研发的关键因素之一。

发生这种现象的主要原因是在光学元件加工过程中，如切割、研磨、抛光等，不可避免的会引入各种缺陷和污染，特别是在元件的表面及亚表面区域，导致其表面及亚表面的光学质量往往比相关材料的本征特性差得很多，从而使得相关元件的表面及亚表面在强激光应用中成为限制元件性能的瓶颈，成为最容易发生激光损伤的薄弱环节。

提高光学元件激光损伤阈值的方法有很多，包括新材料的研制、新工艺的开发、以及对传统光学加工工艺的改善等。实践证明，一种非常有效的提高光学元件激光损伤阈值的方法是激光处理，即在光学元件加工完毕、投入使用之前在亚阈值条件下对元件进行100%覆盖的激光辐照，以清除元件表面容易引起激光损伤的缺陷和污染。这种方法如果使用得当对光学薄膜、熔融石英、以及KDP晶体都非常有效。

与激光处理类似但又有所不同的一种方法是激光修复工艺。激光处理的主要目的是在亚损伤阈值条件下对元件表面污染及微缺陷进行“无创”或者“微创”清理，以便提高元件的激光“初始损伤阈值”，亦即元件在激光系统应用中首次产生激光损伤的阈值；而激光修复工艺是对已经被激光损伤的破坏点进行修复处理，以便破坏点性能能够稳定下来，从而在后续激光辐照过程中相关破坏点能够减慢增长速度甚至不再发生进一步增长。

现有的激光处理及激光修复工艺主要都是在一系列实验基础上制定具体工艺，然后按工艺进行处理，处理完毕后直接通过激光损伤实验来进行工艺成功与否的判别。这样做可以解决一些问题，但是难以得到最优效果。另外大口径光学元件制作费用昂贵，如果处理及修复结果没有达到合适效果就直接进行损伤实验或者投入实际使用，容易产生元件的破坏与报废，造成不必要的重大损失。因此，如果在进行激光处理和激光修复过程中，能够对处理及修复效果进行在线检测，根据检测结果实时优化调整相应的工艺以达到最优的处理和修复效果就尤为必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置及方法，在激光处理或激光修复系统中引入非接触式在线检测系统，用于对光学元件的激光处理区域或者激光修复区域进行在线检测，确保处理和修复达到预期效果，无需再通过后续破坏实验来验证处理和修复效果，大大简化了大口径光学元件的加工制作过程，也大大节约了成本。

本发明的技术方案为：

带有在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置，包括有激光预处理及修复系统和在线检测系统，所述的激光预处理及修复系统包括有相对光学元件表面设置的预处理光源或修复光源，设置于预处理光源或修复光源后端且位于光学元件表面前端的第一光开关和光能量调整装置，设置于预处理光源或修复光源后端且位于光学元件表面前端的第一光束整形处理装置和第一光束聚焦装置；所述的在线检测系统包括有用于激发光学元件表面荧光和红外辐射的泵浦光源、设置于泵浦光源后端且位于光学元件产生荧光和红外辐射的表面之间的第二光开关和光调制装置，设置于泵浦光源后端且位于光学元件产生荧光和红外辐射的表面前端的第二光束整形处理装置和第二光束聚焦装置，用于获得荧光成像图像的荧光成像检测系统或用于获得红外成像图像的红外成像检测系统；

所述的荧光成像检测系统包括有相对光学元件产生荧光和红外辐射的表面设置的荧光成像装置，顺次设置于荧光成像装置后端的荧光滤光装置和荧光探测装置；所述的红外成像检测系统包括有相对光学元件产生荧光和红外辐射的表面设置的红外成像装置，顺次设置于红外成像装置后端的红外滤光装置和红外探测装置。

所述的激光预处理及修复系统还包括有设置于第一光开关和光能量调整装置后端的第一分光楔板和设置于第一分光楔板一输出端后的第一光能量探测装置，所述的光学元件表面相对第一分光楔板另一输出端设置；所述的在线检测系统还包括有设置于第二光开关和光调制装置后端的第二分光楔板和设置于第二分光楔板一输出端后的第二光能量探测装置，所述的相对光学元件产生荧光和红外辐射的表面相对第二分光楔板另一输出端设置。

所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复装置还包括泵浦光源入射角度调整装置。

所述的荧光探测装置为荧光探测器阵列，选用CCD相机；所述的红外辐射探测装置为红外探测器阵列，选用红外相机。

利用带有在线检测的光学元件激光预处理及修复装置的方法，所述的光学元件激光预处理方法即采用激光对光学元件的表面进行激光辐照以清除元件表面容易引起激光损伤的缺陷和污染，所述的光学元件激光修复方法即采用激光对光学元件表面及亚表面已经被激光损伤的破坏点进行修复，以便破坏点性能能够稳定下来，从而在后续激光辐照过程中相关破坏点能够减慢增长速度甚至不再发生进一步增长，其特征在于：所述的在线检测系统在光学元件进行激光预处理及修复的过程中，同时对光学元件表面及亚表面吸收缺陷及光热缺陷在激光预处理及修复过程中的发展变化进行实时检测；所述的在线检测系统的检测方法包括荧光成像检测方法和红外辐射成像检测方法，具体采用泵浦光束照射在进行激光预处理或修复的光学元件表面，光学元件表面及亚表面会生产荧光和光热红外辐射，然后荧光和光热红外辐射进入相应的荧光成像检测系统或红外成像检测系统中，从而获得荧光成像图像或红外成像图像，然后再根据荧光成像图像或红外成像图像结果来相应地优化和控制激光预处理或修复工艺，进行边处理或修复边检测，直至处理或修复效果符合要求。

所述的在线检测系统包括有应用于反射型光学元件的在线检测系统和应用于透射型光学元件的在线检测系统：当激光对反射型光学元件的一表面进行激光预处理或修复时，应用于反射型光学元件的在线检测系统同时对此表面进行在线检测；当激光对透射型光学元件的一表面进行激光预处理或修复时，应用于透射型光学元件的在线检测系统同时对此表面进行在线检测。

本发明的优点：

本发明在进行激光处理或修复时，引入在线检测系统，可以获得光学元件表面及亚表面区域缺陷的实时图像，即对预处理和修复效果进行实时在线检测，根据检测结果可以适当调整预处理和修复的工艺过程，确保预处理和修复达到预期效果，无需再通过后续破坏实验来验证预处理和修复效果，大大简化了大口径光学元件的加工制作过程，也大大节约了成本。另外，在进行激光修复时，引入在线缺陷检测系统，可以对缺陷的位置进行精确定位，进行定点修复，可以大大提高修复过程的效率。

本发明可以用于熔融石英、KDP晶体、BK7玻璃、以及各类其他激光材料及薄膜的激光预处理、激光损伤点修复等领域，特别适用于超大型激光系统中的大口径光学元件表面及亚表面缺陷点的激光预处理，以及表面及亚表面激光损伤点的激光修复。

附图说明

图1是本发明具体实施例中应用于反射型光学元件的带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置的结构示意图。

图2是本发明具体实施例中应用于透射型光学元件的带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

见图1，一种应用于反射型光学元件的带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置，包括有激光预处理及修复系统和在线检测系统；激光预处理及修复系统包括有相对光学元件8一表面（前表面或后表面）设置的预处理光源或修复光源1，顺次设置于预处理光源或修复光源1后端且位于光学元件9一表面（前表面或后表面）前端的第一光开关2、光能量调整装置3和第一分光楔板4，设置于第一分光楔板4一输出端后的第一光能量探测装置5，设置于第一分光楔板4另一输出端后且位于光学元件8一表面（前表面或后表面）前端的第一光束整形处理装置6和第一光束聚焦装置7；在线检测系统包括有用于激发光学元件一表面（前表面或后表面）荧光和红外辐射的泵浦光源9，顺次设置于泵浦光源9后端且位于光学元件8另一表面（后表面或前表面）之间的第二光开关10、光调制装置11、第二光束整形处理装置12、第二光束聚焦装置13和第二分光楔板14，设置于第二分光楔板14一输出端后的第二光能量探测装置15，相对光学元件8一表面（前表面或后表面）设置的荧光成像装置16，顺次设置于荧光成像装置16后端的荧光滤光装置17和荧光探测装置18，相对光学元件8一表面（前表面或后表面）设置的红外成像装置19，顺次设置于红外成像装置19后端的红外滤光装置20和红外探测装置21；其中，荧光探测装置18为荧光探测器阵列，选用CCD相机；红外辐射探测装置21为红外探测器阵列，选用红外相机。

一种应用于反射型光学元件的带在线检测的光学元件激光预处理及修复的方法，包括以下步骤：

（1）、由预处理光源或修复光源1发出的激光光束依次经过第一光开关2、光能量调整装置3、第一分光楔板4后，一小部分光能量由第一光楔板4入射表面反射、由第一光能量探测装置5探测，大部分处理光能量透过第一光楔板4后，再经过第一光束整形处理装置6和第一光束聚焦装置7后会聚到大口径光学元件8样品的一表面（前表面或后表面）对光学元件8进行预处理或修复；

（2）、在进行预处理和修复的过程中，利用在线检测系统对激光预处理或修复的效果进行在线实时检测，具体实施过程如下：由泵浦光源9发出的泵浦光束依次经过第二光开关10、光调制装置11、第二光束整形处理装置12、第二光束聚焦装置13和第二分光楔板14，一小部分光能量由第二分光楔板14入射表面反射、由第二光能量探测装置15探测，大部分光能量透过第二分光楔板14后会聚到大口径光学元件8样品的另一表面（后表面或前表面），同时激发产生荧光和红外辐射，由光学元件8样品一表面（前表面或后表面）出射的荧光信号经过荧光成像装置16、荧光滤光装置17后，由荧光探测装置18探测，获得荧光成像的图像；从光学元件8样品一表面（前表面或后表面）出射的红外辐射信号经过红外成像装置19、红外滤波装置20后，由红外探测装置21探测，获得红外成像的图像。

光学元件8样品预处理和修复过程中，光学元件8样品放置于装夹扫描装置上。当进行激光预处理时，选择合适的激光参数，通过装夹扫描装置来对光学元件8样品进行扫描，以实现对光学元件8样品表面100%覆盖的辐照处理。当进行激光修复时，修复光源可根据不同光学元件样品和不同的缺陷类型选择。针对未镀膜光学元件样品表面缺陷，可以利用波段在中红外激光下进行修复；而对于镀膜光学元件样品，膜层上的缺陷可以利用超快激光来进行修复。

通过第一光开关2和第二光开关10让预处理或修复光束以及泵浦光束交替照射光学元件8，实现边预处理或修复边成像检测。

实施例2

见图2，一种应用于透射型光学元件的带在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置，包括有激光预处理及修复系统和在线检测系统；激光预处理及修复系统包括有相对光学元件9一表面（前表面或后表面）设置的预处理光源或修复光源1，顺次设置于预处理光源或修复光源1后端且位于光学元件9一表面（前表面或后表面）前端的第一光开关2、光能量调整装置3和第一分光楔板4，设置于第一分光楔板4一输出端后的第一光能量探测装置5，设置于第一分光楔板4另一输出端后且位于光学元件9一表面（前表面或后表面）前端的第一光束整形处理装置6、第一光束聚焦装置7和双色镜8；在线检测系统包括有用于激发光学元件一表面（前表面或后表面）荧光和红外辐射的泵浦光源10，顺次设置于泵浦光源10后端且位于与预处理光源或修复光源1照射的光学元件9同一表面（前表面或后表面）之间的第二光开关11、光调制装置12和第二分光楔板13，设置于第二分光楔板13一输出端后的第二光能量探测装置14，设置于第二分光楔板13另一输出端后且位于光学元件9一表面（前表面或后表面）前端的第二光束整形处理装置15、第二光束聚焦装置16和高反镜17，相对光学元件9同一表面（前表面或后表面）设置的荧光成像装置18，顺次设置于荧光成像装置18后端的荧光滤光装置19和荧光探测装置20，相对光学元件9同一表面（前表面或后表面）设置的红外成像装置21，顺次设置于红外成像装置21后端的红外滤光装置22和红外探测装置23；其中，荧光探测装置20为荧光探测器阵列，选用CCD相机；红外辐射探测装置23为红外探测器阵列，选用红外相机。

一种应用于反射型光学元件的带在线检测的光学元件激光预处理及修复的方法，包括以下步骤：

（1）、由预处理光源或修复光源1发出的激光光束依次经过第一光开关2、光能量调整装置3、第一分光楔板4后，一小部分光能量由第一光楔板4入射表面反射、由第一光能量探测装置5探测，大部分处理光能量透过第一光楔板4后，再经过第一光束整形处理装置6和第一光束聚焦装置7并透过双色镜8后会聚到大口径光学元件9的一表面（前表面或后表面）对光学元件8进行预处理或修复；

（2）、在进行预处理和修复的过程中，利用在线检测系统对激光预处理或修复的效果进行在线实时检测，具体实施过程如下：由泵浦光源10发出的泵浦光束依次经过第二光开关11、光调制装置12和第二分光楔板13，一小部分光能量由第二光楔板13入射表面反射、由第二光能量探测装置14探测，大部分处理光能量透过第二光楔板13后，再经过第二光束整形处理装置15和和第一光束聚焦装置16，最后经高反镜17反射、双色镜8反射后会聚到大口径光学元件9的一表面（前表面或后表面），由光学元件8样品一表面（前表面或后表面）出射的荧光信号经过荧光成像装置18、荧光滤光装置19后，由荧光探测装置20探测，获得荧光成像的图像；从光学元件9样品一表面（前表面或后表面）出射的红外辐射信号经过红外成像装置21、红外滤波装置22后，由红外探测装置23探测，获得红外成像的图像。

通过第一光开关2和第二光开关11让预处理或修复光束以及泵浦光束交替照射光学元件9，实现边预处理或修复边成像检测；双色镜8和高反镜17为泵浦光源入射角度调整装置，用于调整泵浦光源相对光学元件9的入射角度。

Claims (6)

1.带有在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置，包括有激光预处理及修复系统，所述的激光预处理及修复系统包括有相对光学元件表面设置的预处理光源或修复光源，其特征在于：所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复装置还包括有在线检测系统；所述的激光预处理及修复系统还包括有设置于预处理光源或修复光源后端且位于光学元件表面前端的第一光开关和光能量调整装置，设置于预处理光源或修复光源后端且位于光学元件表面前端的第一光束整形处理装置和第一光束聚焦装置；所述的在线检测系统包括有用于激发光学元件表面荧光和红外辐射的泵浦光源、设置于泵浦光源后端且位于光学元件产生荧光和红外辐射的表面之间的第二光开关和光调制装置，设置于泵浦光源后端且位于光学元件产生荧光和红外辐射的表面前端的第二光束整形处理装置和第二光束聚焦装置，用于获得荧光成像图像的荧光成像检测系统或用于获得红外成像图像的红外成像检测系统；

所述的荧光成像检测系统包括有相对光学元件产生荧光和红外辐射的表面设置的荧光成像装置，顺次设置于荧光成像装置后端的荧光滤光装置和荧光探测装置；所述的红外成像检测系统包括有相对光学元件产生荧光和红外辐射的表面设置的红外成像装置，顺次设置于红外成像装置后端的红外滤光装置和红外探测装置。

2.根据权利要求1所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置，其特征在于：所述的激光预处理及修复系统还包括有设置于第一光开关和光能量调整装置后端的第一分光楔板和设置于第一分光楔板一输出端后的第一光能量探测装置，所述的光学元件表面相对第一分光楔板另一输出端设置；所述的在线检测系统还包括有设置于第二光开关和光调制装置后端的第二分光楔板和设置于第二分光楔板一输出端后的第二光能量探测装置，所述的相对光学元件产生荧光和红外辐射的表面相对第二分光楔板另一输出端设置。

3.根据权利要求1所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置，其特征在于：所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复装置还包括泵浦光源入射角度调整装置。

4.根据权利要求1所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复的装置，其特征在于：所述的荧光探测装置为荧光探测器阵列，选用CCD相机；所述的红外辐射探测装置为红外探测器阵列，选用红外相机。

5.利用权利要求1所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复装置的方法，所述的光学元件激光预处理方法即采用激光对光学元件的表面进行激光辐照以清除元件表面容易引起激光损伤的缺陷和污染，所述的光学元件激光修复方法即采用激光对光学元件表面及亚表面已经被激光损伤的破坏点进行修复，以便破坏点性能能够稳定下来，从而在后续激光辐照过程中相关破坏点能够减慢增长速度甚至不再发生进一步增长，其特征在于：所述的在线检测系统在光学元件进行激光预处理及修复的过程中，同时对光学元件表面及亚表面吸收缺陷及光热缺陷在激光预处理及修复过程中的发展变化进行实时检测；所述的在线检测系统的检测方法包括荧光成像检测方法和红外辐射成像检测方法，具体采用泵浦光束照射在进行激光预处理或修复的光学元件表面，光学元件表面及亚表面会生产荧光和光热红外辐射，然后荧光和光热红外辐射进入相应的荧光成像检测系统或红外成像检测系统中，从而获得荧光成像图像或红外成像图像，然后再根据荧光成像图像或红外成像图像结果来相应地优化和控制激光预处理或修复工艺，进行边处理或修复边检测，直至处理或修复效果符合要求。

6.根据权利要求1所述的带有在线检测的光学元件激光预处理及修复装置的方法，其特征在于：所述的在线检测系统包括有应用于反射型光学元件的在线检测系统和应用于透射型光学元件的在线检测系统：当激光对反射型光学元件的一表面进行激光预处理或修复时，应用于反射型光学元件的在线检测系统同时对此表面进行在线检测；当激光对透射型光学元件的一表面进行激光预处理或修复时，应用于透射型光学元件的在线检测系统同时对此表面进行在线检测。