CN103434149A

CN103434149A - 并行扫描激光预处理装置及方法

Info

Publication number: CN103434149A
Application number: CN2013103855242A
Authority: CN
Inventors: 马平; 郑轶; 刘志超; 浦云体; 王刚
Original assignee: CHENGDU FINE OPTICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Current assignee: CHENGDU FINE OPTICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: CN103434149B

Abstract

本发明公开了一种并行扫描激光预处理装置及方法，属于光学技术领域。装置包括沿激光传输方向设置的激光光源、机械快门、能量衰减器、光束汇聚系统、分光劈板和合束镜，还包括光束轮廓仪、激光能量计、信标光源和电动位移台；光学元件置于电动位移台上；装置与光学元件之间设有倾斜镜阵列，光学元件前设置有检测相机。本发明在重复利用激光能量提高预处理效率的同时，解决了损伤导致的反射辐照不均匀问题，可高速有效提升大口径光学元件激光损伤阈值。

Description

并行扫描激光预处理装置及方法

技术领域

本发明涉及光学元件处理装置及方法，尤其是其激光预处理，属于光学技术领域。

背景技术

光学元件在制作完成后，需要进行激光预处理，目前主要采用小口径、毫米级尺寸的激光光斑，通过光栅单点扫描（raster scan）方式，均匀地对薄膜元件进行照射。由于辐照均匀性和通量提升这两项因素将影响激光预处理效果，为了保证一片大口径光学元件能够受到均匀的辐照作用，通常在扫描过程中，光斑间距不能过大，使得两次辐照之间有一定的重叠部分，以保证扫描无盲区。同时，需要采用通量逐步提升的方式，平缓地诱导预处理效果。这两项因素导致小口径预处理存在耗时长的缺点。举例来说：采用口径1mm，重复频率10Hz的辐照光斑，处理一片600×600mm口径的光学元件。假定光斑步进间距为0.5mm，以保证一定的重叠区域，在这种情况下，单次全口径处理需要耗时40小时，若需要以三种能量进行预处理，以10%、50%、90%损伤阈值进行通量提升，则处理一片元件总共需要120小时，耗时相当显著。

另外，在高功率激光脉冲作用之下，光学元件极易发生损伤，光学元件的损伤问题成为目前限制大型激光装置出光能量继续提升的瓶颈。提高元件的抗损伤能力可以从改善元件的制备条件和工艺出发，但是，受限于材料物性机制、工艺可行性和成本等因素，难度极大；另一条可行之路则是激光预处理技术。它采用较低通量的激光束（较之于元件的损伤阈值），对膜面进行辐照，可以提高其抗损伤能力。

在亚阈值光斑的辐照作用之下，元件表面的附着性污染被击落和分解，同时被包覆的缺陷也可以被预引爆和加固，避免其进一步增长；而材料本身所包含的原子离子杂质缺陷在激光诱导之下重新结合，从而使物性趋于稳定。

目前可见的文献报道和专利中，主要采用单点逐点扫描方式或利用激光束的多次全反射来进行扫描。单点逐点扫描方式存在耗时长的缺点。简单利用激光束的多次全反射来进行扫描可以提高效率，但是该方法无法实时监测所有扫描点的状况，扫描过程中一旦在某个反射点产生破坏，其余反射点的能量将急剧变化，产生辐照不均匀问题，从而导致整个元件的预处理不可控，效果无法满足要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种对光学元件进行并行扫描激光预处理装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

并行扫描激光预处理装置，包括沿激光传输方向设置的激光光源、机械快门、能量衰减器、光束汇聚系统、分光劈板和合束镜，还包括光束轮廓仪、激光能量计、信标光源和电动位移台；光学元件置于电动位移台上；装置与光学元件之间设有倾斜镜阵列，光学元件前设置有检测相机。

并行扫描激光预处理方法，包括以下步骤：

A．精确调节倾斜镜阵列的俯仰角，控制各光斑在光学元件反射表面上的位置坐标，以此将各光斑排列成规则分布的组束；组束作为整体以并行方式对光学元件进行并行扫描；组束尺寸与检测相机的视场范围相匹配；

B．由能量计和光束轮廓仪测量脉冲能量和有效面积；

C．根据组束尺寸和激光重复频率，由电动位移台调整光学元件的位移速度；

D．根据检测相机检测的损伤坐标，计算光学元件的辐照盲区，并记录；

E．并行扫描完毕后，采用单光斑方式对光学元件的辐照盲区逐一进行填充。

本发明采用倾斜镜组合定位方式，对反射激光进行重复利用和合理排布，以组束并行扫描的方式实现均匀辐照过程，从而大幅度压缩预处理时间周期，同时，对扫描区域进行损伤在线诊断。

本发明的有益效果是，在重复利用激光能量提高预处理效率的同时，解决了损伤导致的反射辐照不均匀问题，可高速有效提升大口径光学元件激光损伤阈值。

附图说明

图1是本发明中装置总体结构示意图；

图2是本发明中扫描方法原理示意图；

图3是光学元件损伤辐照盲区形成示意图。

图4是本发明中光斑组束并行扫描方式示意图

图中零部件及编号：

1—激光光源，2—机械快门，3—能量衰减器，4—光束汇聚系统，

5—分光劈板，6—光束轮廓仪，7—激光能量计，8—信标光源，

9—倾斜镜阵列，10—检测相机，11—光学元件，12—电动位移台，

13—合束镜。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

参见图1-—4，并行扫描激光预处理装置，包括沿激光传输方向设置的激光光源1、机械快门2、能量衰减器3、光束汇聚系统4、分光劈板5和合束镜13，还包括光束轮廓仪6、激光能量计7、信标光源8和电动位移台12；光学元件11置于电动位移台12上；装置与光学元件11之间设有倾斜镜阵列9，光学元件11前设置有检测相机10。

激光光源1为调Q式固体激光器。信标光源8为氦氖激光器。倾斜镜阵列9的镜面为镀有高反射薄膜的凹面镜。

倾斜镜阵列9的角度（自由度）控制由压电陶瓷驱动（也可手动控制）。检测相机10为CCD视觉检测相机。

并行扫描激光预处理方法，包括以下步骤：

A．精确调节倾斜镜阵列9的俯仰角，控制各光斑在光学元件11反射表面上的位置坐标，以此将各光斑排列成规则分布的组束；组束作为整体以并行方式对光学元件11进行并行扫描；组束尺寸与检测相机10的视场范围相匹配；

B．由能量计7和光束轮廓仪6测量脉冲能量和有效面积；

C．根据组束尺寸和激光重复频率，由电动位移台12调整光学元件11的位移速度；

D．根据检测相机10检测的损伤坐标，计算光学元件11的辐照盲区，并记录；

E．并行扫描完毕后，采用单光斑方式对光学元件11的辐照盲区逐一进行填充。

激光光源1输出脉冲激光；通过机械快门2进行开关控制；随后经过能量衰减器3和光束汇聚系统4，形成预处理光斑；分光劈板5将少部分激光能量划分出来，分别入射至光束轮廓仪6和激光能量计7；信标光源8经过合束镜13进入光路，作为参考光束；激光在光学元件11和倾斜镜阵列9之间多次反射，形成光斑组束；光学元件11通过电动位移台12进行夹持和扫描；CCD视觉检测相机10用于对损伤导致的辐照盲区进行在线监测。

本发明原理如图2所示。预处理光束在反射光学元件11表面和倾斜镜阵列9之间多次反射，可以实现激光能量的反复利用，形成N个光斑构成的组束（图中S1-S9为3×3光斑组束方式示意），作为整体进行并行扫描。其具体方式如图4所示：光斑组束按照箭头方向行进，步进间距取决于组束的整体尺寸。首先从左至右进行扫描（图中圆点标示省略），到达边缘之后，向下步进，然后从右至左反向扫描。循环此步骤，直到光学元件11表面辐照完毕。该方式可以将预处理耗时压缩为单光斑扫描方式的1/N。在扫描的同时，采用CCD视觉检测相机10对辐照区域进行在线损伤诊断。为了保证足够的损伤分辨率尺度，成像系统需要保持一定的放大倍率，因此，相应的成像视场不会太大，通常为数毫米尺寸以内。因此，虽然重复使用倾斜镜反射能够获得相当大的光斑组束，但是，为了与成像视场范围相匹配，通常，3×3、4×4的组束规格较为实用。设元件表面与倾斜镜面上薄膜的反射率为R，假定入射激光通量为P，则两次相邻反射点之间的能量比例关系为R²，所以，第N个反射点的辐射通量表达式为：PN=PR^2N，以3×3组束、R=99.9%为例，第9个反射点的能量是第1个反射点的98.2%，能量损失相对较小，因此，可以认为光斑组束范围内承受的辐照效果是均匀的。

倾斜镜阵列9是一组置于处理元件前的倾斜反射镜，镜面由镀有高反射薄膜的凹面镜构成。

激光光源1用于输出满足元件预处理需求的脉冲激光，本实施方式采用调Q式固体激光器。

机械快门2进行开关控制，光斑辐照通量与场分布通过能量衰减器3和光束汇聚系统4 进行控制。

预处理激光参数包括脉冲能量和有效面积，由能量计7和光束轮廓仪6进行测量。

信标光源8输出光束作为参考主光轴，辅助光路调节，本实施方式采用氦氖激光器。

在待处理光学元件11之前放置倾斜镜阵列9，镜面由镀有高反射薄膜的凹面镜构成，本实施方式中倾斜自由度控制采用压电陶瓷驱动；也可采用手动。

激光束在光学元件11和倾斜镜阵列9之间多次反射，形成光斑组束；激光束经反射之后，被倾斜镜收集并再次反射输出，重新回到光学元件11表面，形成一个新的作用光斑；即入射激光束照射至S1位置，同时，一面倾斜镜位于其反射光路中，出射光束经反射后再次后入射至S2位置，形成新的预处理光斑，同时又反射至下一面倾斜镜；重复此过程，利用N面合理定位的倾斜镜阵列，在光学元件11表面上形成N个作用光斑。

电动位移台12用于光学元件11的夹持和扫描，根据组束尺寸和激光重复频率，调整位移速度，实现以组束为整体的并行扫描。

组束尺寸与CCD视觉检测相机10的成像视场范围相匹配。由于预处理过程中损伤的出现将阻挡光束向下一个位置的反射，因此，在并行扫描方式下，损伤点周围存在未受到辐照处理的局部盲区，当CCD视觉检测相机10检测到损伤出现之后，根据损伤坐标计算出反射辐照盲区，并进行记录。

在实际预处理过程中，光学元件11表面将不可避免地出现损伤，这些损伤点将阻碍光束的继续反射，此过程原理如图3所示：假设在S4位置发生了损伤，则S5—S9位置的反射光斑将不能形成，使得该部分区域成为辐照盲区。因此，在损伤诊断过程中，需要根据损伤位置计算出盲区范围，在并行扫描完毕之后，采用单光斑方式，对这些辐照盲区逐一进行填充，以保证预处理辐照能量均匀性。

Claims

1.一种并行扫描激光预处理装置，包括沿激光传输方向设置的激光光源（1）、机械快门（2）、能量衰减器（3）、光束汇聚系统（4）、分光劈板（5）和合束镜（13），还包括光束轮廓仪（6）、激光能量计（7）、信标光源（8）和电动位移台（12）；光学元件（11）置于电动位移台（12）上；其特征在于，装置与光学元件（11）之间设有倾斜镜阵列（9），光学元件（11）前设置有检测相机（10）。

2.根据权利要求1所述的光学元件激光预处理装置，其特征在于，所述的激光光源（1）为调Q式固体激光器。

3.根据权利要求1所述的光学元件激光预处理装置，其特征在于，所述的信标光源（8）为氦氖激光器。

4.根据权利要求1所述的光学元件激光预处理装置，其特征在于，所述的倾斜镜阵列（9）的镜面为镀有高反射薄膜的凹面镜。

5.根据权利要求1所述的光学元件激光预处理装置，其特征在于，所述的倾斜镜阵列（9）的角度控制由压电陶瓷驱动。

6.根据权利要求1所述的光学元件激光预处理装置，其特征在于，所述的检测相机（10）为CCD视觉检测相机。

7.一种并行扫描激光预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

A．精确调节倾斜镜阵列（9）的俯仰角，控制各光斑在光学元件（11）反射表面上的位置坐标，以此将各光斑排列成规则分布的组束；组束作为整体以并行方式对光学元件（11）进行并行扫描；组束尺寸与检测相机（10）的视场范围相匹配；

B．由能量计（7）和光束轮廓仪（6）测量脉冲能量和有效面积；

C．根据组束尺寸和激光重复频率，由电动位移台（12）调整光学元件（11）的位移速度；

D．根据检测相机（10）检测的损伤坐标，计算光学元件（11）的辐照盲区，并记录；

E．并行扫描完毕后，采用单光斑方式对光学元件（11）的辐照盲区逐一进行填充。