CN103624402A

CN103624402A - 提高光学元件小光斑扫描激光预处理效率的方法

Info

Publication number: CN103624402A
Application number: CN201310566601.4A
Authority: CN
Inventors: 刘晓凤; 赵元安; 高妍琦; 李大伟; 胡国行; 易葵
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: CN103624402B

Abstract

一种提高光学元件小光斑扫描激光预处理效率的方法，该方法根据要求的预处理样品面积Amm×Bmm、相邻辐照光斑间的中心间距L及补偿距离L₀，计算出样品每行运动的起点和终点的位置坐标；计算机控制样品按照上述位置坐标逐行匀速运动并实时获取样品运动轨迹的位置信息的同时，控制激光器在样品的匀速运动过程中以固定频率μ输出脉冲激光辐照样品对光学元件表面进行激光预处理。本发明简单易行，可确保相邻辐照光斑在样品表面正方形或等边三角形的排布轨迹，有效地提高了光学元件小光斑扫描激光预处理的工作效率。

Description

提高光学元件小光斑扫描激光预处理效率的方法

技术领域

本发明涉及光学元件，特别是一种提高光学元件小光斑扫描激光预处理效率的方法。

背景技术

激光预处理技术是提高光学元件抗激光损伤能力的一种有效手段，其中小光斑扫描激光预处理因可灵活地控制激光束以需要的能量和理想的均匀度辐照光学元件的整个口径，且系统搭建简单，一直被广大用户青睐。小光斑扫描激光预处理是以一定的激光能流逐点辐照光学元件表面的过程，相邻辐照光斑在样品表面要求实现正方形或等边三角形排布。预处理过程中，常通过计算出正方形或等边三角形排布情况下各个激光辐照点对应的样品移动的位置坐标，然后利用电机带动样品按上述位置坐标依次移动，实现激光对光学元件的逐点辐照。这个过程中，电机带动样品移动到每个辐照位置时都要保持静止状态，激光辐照完当前辐照位置后，样品再移动到下一个辐照位置，进行下一个辐照位置的激光辐照，这种传统的样品起停起停方式，严重地限制了光学元件小光斑扫描预处理系统的工作效率，尤其是对于大面积的小光斑扫描激光预处理过程，耗时相当严重。如何提高光学元件小光斑扫描激光预处理效率成为目前激光预处理技术亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述小光斑扫描激光预处理过程中出现的上述问题，本发明提供一种提高上述小光斑扫描激光预处理效率的方法。该方法简单易行，可在准确控制相邻辐照激光光斑在样品表面正方形或等边三角形排布轨迹的前提下，显著地提高光学元件小光斑扫描激光预处理的效率。

本发明的技术方案如下：

一种提高光学元件小光斑扫描激光预处理效率的方法，该方法采用光学元件小光斑扫描激光预处理系统，该系统包括激光器、伺服电机、电机驱动器和具有运动板卡的计算机，待辐照的样品固定在所述的伺服电机上，所述的计算机通过运动板卡经电机驱动器与所述的伺服电机相连，该伺服电机的信号输出端经所述的运动板卡与所述的计算机相连，所述的计算机的输出端与所述的激光器的控制端相连，其特点在于该方法包括如下步骤：

①计算机设置样品水平匀速运动的速度υ：υ＝L/μ，其中μ为激光器的出光频率，L为所述的样品上相邻辐照光斑的中心间距，所述的样品固定于所述的伺服电机上，所述的计算机控制所述的伺服电机的运动，从而控制样品的运动速度及运动轨迹，同时，所述的计算机从所述的运动板卡获取所述的伺服电机的运动情况，从而实时获取样品的运动轨迹的位置信息；

②根据所述的样品启动过程的加速度/停止过程的减速度a，所述的计算机计算水平方向所述的样品启动时的加速过程以及停止时的减速过程所经历的路程，称为补偿距离：L₀＝υ²/2a；

③所述的计算机根据所述的样品预处理面积Amm×Bmm、相邻辐照光斑间的中心间距要求L及补偿距离L₀，计算出所述的样品的辐照光斑正方形或等边三角形排布下，样品每行移动的起点和终点的位置坐标：

对于正方形排布情况下，第2N-1行样品水平运动的起点坐标为：-L₀，2(N-1）L，样品水平运动的终点坐标为：0+A+L₀，2(N-1）L；第2N行样品水平运动的起点坐标为：0+A+L₀，（2N-1）L，样品水平运动的终点为：-L₀，（2N-1）L，其中N依次取正整数1，2，3、…、B/L，B/L取最接近的整数；

对于等边三角形排布情况下，第2N-1行样品水平运动起点坐标为：-L₀，

样品水平运动的终点坐标为：0+A+L₀，

第2N行样品水平运动的起点坐标为：0+A+L₀+L/2，

样品水平运动的终点坐标为：-L₀+L/2，其中N依次取正整数1，2，3、…、B/L，B/L取最近的整数；

④所述计算机控制样品按①中所设置的水平方向匀速运动的速度υ和③中所计算的位置坐标依次逐行运动；在每行运动过程中，当所述的计算机根据实时获得的位置信息，判断样品相对于此行起点移动L₀的距离后，所述计算机立刻控制所述的激光器按频率μ输出脉冲激光辐照样品；当所述计算机根据实时获得的位置信息，判断样品相对于此行起点水平运动总距离达A+L₀后，计算机立刻控制激光器停止工作不出光，所述计算机根据获得的位置信息，判断样品运动到③中计算的此行终点位置后，样品停止运动；每次每行辐照结束后，所述计算机控制样品移动到下一行的运动起点位置，重复上述动作实现激光在下一行的逐点辐照，直到样品移动到最后B/L行的最后辐照点后，结束激光预处理过程。

本方法的技术效果是：

相比与小光扫描激光预处理过程中传统的起停方案，本发明方法简单易行，可确保了相邻辐照激光光斑在样品表面的正方形或等边三角形的排布轨迹，大大提高了小光斑扫描激光预处理的效率。

附图说明

图1是本发明方法采用的光学元件小光斑扫描激光预处理系统的装置示意图。

图2是小光斑扫描激光预处理中相邻辐照光斑在样品表面呈正方形排布的示意图。

图3是图2所示正方形排布情况下，样品的运动轨迹示意图。

图4是小光斑扫描激光预处理中相邻辐照光斑在样品表面呈等边三角形排布的示意图。

图5是图4所示相邻辐照光斑等边三角形排布下，样品的运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。

请参阅图1。图1是本发明方法采用的光学元件小光斑扫描激光预处理系统示意图，图中101－激光器，102—样品，103—伺服电机，104—电机驱动器，105—运动板卡，106—计算机。

激光器101输出激光，样品102固定于伺服电机103上，计算机106通过运动板卡105控制电机驱动器104驱动所述的伺服电机103运动，从而控制样品102的运动速度及运动轨迹，同时，所述的计算机通过所述的运动板卡105获取所述伺服电机103的运动情况，即实时获取样品102运动轨迹的位置信息，所述的运动板卡105插于所述计算机106的PCI插槽上，通过PCI总线与计算机106通讯。

光学元件的小光斑扫描激光预处理，即是通过样品102的移动，实现激光在样品102的表面的逐点辐照，同时要求相邻辐照光斑在样品表面实现正方形或等边三角形排布。

请参阅图2。图2是小光斑扫描激光预处理中相邻辐照光斑在样品表面呈正方形排布的示意图。

圆圈代表激光光斑在样品表面的辐照位置，激光按图中所示的实线路径逐点辐照样品表面，实线上的箭头代表激光光斑相对于样品表面的移动方向。A代表对于激光预处理区域的水平长度，L代表相邻辐照光斑的中心间距。

由于小光斑扫描激光预处理系统是通过移动样品来实现激光光斑在样品表面的逐点辐照，故实际操作中，样品的运动轨迹方向要与激光光斑的辐照轨迹方向相反，才能实现光斑按照图中所示的辐照次序依次辐照样品。

请参阅图3。图3是图2所示正方形排布情况下，样品的运动轨迹示意图。

301-样品第一行水平运动的起点，302—样品第一行水平运动的终点，303—样品第二行水平运动的起点，304—样品第二行水平运动的终点，305—样品第三行水平运动的起点，306—样品第三行水平运动的终点，307—样品第四行水平运动的起点，308—样品第四行水平运动的终点，309-样品运动坐标系的位置原点（0,0）。其中，L₀代表补偿距离的大小，样品按图中所示的实线路径运动，实线上的箭头代表样品的移动方向，水平向左及垂直向上方向设置分别设置为样品移动坐标系的两个正方向。

对于预处理面积大小约为Amm×Bmm，相邻辐照光斑间中心间距要求为L的激光预处理过程及激光器固有出光频率为μ的小光斑扫描激光预处理系统，本发明方法包括下列步骤：

1、通过计算机设置样品水平匀速运动的速度υ：υ＝L/μ，其中μ为激光器的脉冲频率，L为相邻辐照光斑间的中心间距。

2、根据样品的加速度/减速度a，获取样品水平方向，计算机106计算出启动时的加速过程以及停止时的减速过程所经历的路程，简称为补偿长度L₀＝υ²/2a。

3、计算机106计算出所述正方形排布下，样品102在每行起点和终点的位置坐标。以样品102运动坐标系的位置原点309为参考点，第一行样品水平运动的起点301坐标为：-L₀，0，第一行样品水平运动的终点302坐标为：0+A+L₀，0；第二行样品水平运动的起点303坐标为：0+A+L₀，L，第二行样品水平运动的终点304坐标为：-L₀，L；第三行样品水平运动的起点305坐标为：-L₀，2L，第三行样品水平运动的终点306坐标为：0+A+L₀，2L；依次类推，第2N-1行样品水平运动的起点坐标为：-L₀，2(N-1）L，样品水平运动的终点坐标为：0+A+L₀，2(N-1）L；第2N行样品水平运动的起点坐标为：0+A+L₀，（2N-1）L，样品水平运动的终点为：-L₀，（2N-1）L，其中N依次取正整数1，2，3、…、B/L（取最近的整数）。

4、所述计算机106控制样品102按1中所设置的水平方向匀速运动的速度υ和3中所计算的位置坐标依次逐行运动，在每行运动过程中，当所述计算机106根据实时获得的位置信息，判断样品相对于此行起点移动L₀的距离后，所述计算机106立刻控制激光器101以频率μ输出脉冲激光辐照样品102；当所述计算机106根据实时获得的位置信息，判断样品102相对于此行起点水平运动总距离达A+L₀后，计算机106立刻控制激光器101停止工作不出光，所述计算机106根据实时获取回的位置信息，判断样品运动到1中所计算的此行终点位置后，样品停止运动。

5、每次每行辐照结束后所述计算机106控制样品102移动到下一行的运动起点位置，重复上述动作实现激光在下一行的逐点辐照，直到样品102移动到直到进行B/L（取近似整数）行后结束激光预处理过程。

请参阅图4。图4是小光斑扫描激光预处理中相邻辐照光斑在样品表面呈等边三角形排布的示意图。

圆圈代表激光光斑在样品表面的辐照位置，激光按图中所示的实线路径逐点辐照样品表面，实线上的箭头代表激光光斑相对于样品表面的移动方向。

由于小光斑扫描激光预处理系统是通过移动样品来实现激光光斑在样品表面的逐点辐照，故实际操作中，样品的运动轨迹要与激光光斑的辐照轨迹相反，才能实现光斑按照图中所示的辐照次序依次辐照样品。

图5是图4所示等边三角形排布下，样品的运动轨迹示意图.

图中：501样品第一行水平运动的起点，502—样品第一行水平运动的终点，503—样品第二行水平运动的起点，504—样品第二行水平运动的终点，505—样品第三行水平运动的起点，506—样品第三行水平运动的终点，507—样品第四行水平运动的起点，508—样品第四行水平运动的终点。其中，样品按图中所示的实线路径运动，实线上的箭头代表样品的移动方向，水平向左及垂直向上方向设置分别设置为样品移动坐标系的两个正方向。

对于预处理面积大小约为Amm×Bmm，相邻激光辐照点间距要求为L的激光预处理过程及激光器固有出光频率为μ的小光斑扫描激光预处理系统，本发明方法包括下列步骤：

2、根据样品的加速度/减速度a，获取样品水平方向，启动时的加速过程以及停止时的减速过程所经历的路程L₀＝υ²/2a。

3、计算机106计算出所述正方形排布下，样品102在每行起点和终点的位置坐标。以样品102运动坐标系的位置原点309为参考点，第一行样品水平运动的起点501坐标为：-L₀，0，第一行样品水平运动的终点502坐标为：0+A+L₀，0；第二行样品水平运动的起点503坐标为：0+A+L₀+L/2，第二行样品水平运动的终点504坐标为：-L₀+L/2，

第三行样品水平运动的起点505的坐标为：-L₀,第三行样品水平运动的终点506的坐标为：0+A+L₀，

依次类推，第2N-1行样品水平运动起点坐标为：-L₀，

样品水平运动的终点坐标为：0+A+L₀，

第2N行样品水平运动的起点坐标为：0+A+L₀+L/2，

终点为：-L₀+L/2，

其中N依次取正整数1，2，3、…、B/L（取最近的整数）。

4、所述计算机106控制样品102按1中所设置的水平方向匀速运动的速度υ和3中所计算的位置坐标依次逐行运动，在每行运动过程中，当所述计算机106根据实时获得的位置信息，判断样品相对于此行起点移动L0的距离后，所述计算机106立刻控制激光101以频率μ输出脉冲激光辐照样品102；当所述计算机106根据实时获得的位置信息判断样品相对于此行起点水平运动总距离达A+L₀后，计算机106立刻控制激光器101停止工作不出光，所述计算机106根据实时获得的位置信息判断样品102运动到1中所计算的此行终点位置后，样品停止运动。

6、每次每行辐照结束后所述计算机106控制样品102移动到下一行的运动起点位置，重复上述动作实现激光在下一行的逐点辐照，直到样品102移动到直到进行B/L（取近似整数）行后结束激光预处理过程。

实验表明，本发明方法简单易行，可在准确控制相邻辐照激光光斑在样品表面正方形或等边三角形排布的前提下，大大提高了光学元件小光斑扫描激光预处理的效率。

Claims

1.一种提高光学元件小光斑扫描激光预处理效率的方法，该方法采用光学元件小光斑扫描激光预处理系统，该系统包括激光器（101）、伺服电机（103）、电机驱动器（104）和具有运动板卡（105）的计算机（106），待辐照的样品（102）固定在所述的伺服电机（103）上，所述的计算机（106）通过运动板卡（105）经电机驱动器（104）与所述的伺服电机（103）相连，该伺服电机（103）的信号输出端经所述的运动板卡（105）与所述的计算机（106）相连，所述的计算机（106）的输出端与所述的激光器（1）的控制端相连，其特征在于该方法包括如下步骤：

①计算机（106）设置样品（102）水平匀速运动的速度υ：υ＝L/μ，其中μ为激光器（1）的出光频率，L为所述的样品（102）上相邻辐照光斑的中心间距，所述的样品（102）固定于所述的伺服电机（103）上，所述的计算机（106）控制所述的伺服电机（103）的运动，从而控制样品（102）的运动速度及运动轨迹，同时，所述的计算机（106）从所述的运动板卡（105）获取所述的伺服电机（103）的运动情况，从而实时获取样品（102）的运动轨迹的位置信息；

②根据所述的样品（102）启动过程的加速度/停止过程的减速度a，所述的计算机（106）计算水平方向所述的样品（102）启动时的加速过程以及停止时的减速过程所经历的路程，称为补偿距离：L₀＝υ²/2a；

③所述的计算机（106）根据所述的样品（102）预处理面积Amm×Bmm、相邻辐照光斑间的中心间距要求L及补偿距离L₀，计算出所述的样品（102）的辐照光斑正方形或等边三角形排布下，样品（102）每行移动的起点和终点的位置坐标：

对于正方形排布情况下，第2N-1行样品（102）水平运动的起点坐标为：-L₀，2(N-1）L，样品（102）水平运动的终点坐标为：0+A+L₀，2(N-1）L；第2N行样品（102）水平运动的起点坐标为：0+A+L₀，（2N-1）L，样品（102）水平运动的终点为：-L₀，（2N-1）L，其中N依次取正整数1，2，3、…、B/L，B/L取最接近的整数；

对于等边三角形排布情况下，第2N-1行样品（102）水平运动起点坐标为：-L₀，

样品（102）水平运动的终点坐标为：0+A+L₀，

第2N行样品（102）水平运动的起点坐标为：0+A+L₀+L/2，

样品（102）水平运动的终点坐标为：-L₀+L/2，

其中N依次取正整数1，2，3、…、B/L，B/L取最近的整数；

④所述计算机（106）控制样品（102）按①中所设置的水平方向匀速运动的速度υ和③中所计算的位置坐标依次逐行运动；在每行运动过程中，当所述的计算机（106）根据实时获得的位置信息，判断样品相对于此行起点移动L₀的距离后，所述计算机（106）立刻控制所述的激光器（101）按频率μ输出脉冲激光辐照样品（102）；当所述计算机（106）根据实时获得的位置信息，判断样品相对于此行起点水平运动总距离达A+L₀后，计算机（106）立刻控制激光器（101）停止工作不出光，所述计算机（106）根据获得的位置信息，判断样品（102）运动到③中计算的此行终点位置后，样品停止运动；每次每行辐照结束后，所述计算机（106）控制样品（102）移动到下一行的运动起点位置，重复上述动作实现激光在下一行的逐点辐照，直到样品（102）移动到最后B/L行的最后辐照点后，结束激光预处理过程。