CN103712993A - 透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法及装置，该检测方法及装置通过将一束较强的泵浦光聚焦到透明光学材料内部，在泵浦光焦点位置由于光能量的吸收引起透明光学材料局部温度升高，从而引起透明光学材料体内局部物理特性发生变化，并将一束传播方向与该泵浦光传播方向正交的较弱的探测光也聚焦到透明光学材料体内，与泵浦光的焦点重合，对由于吸收泵浦光而引起的透明光学材料局部物理特性变化进行检测，从而获得透明光学材料体内泵浦光焦点位置的吸收特性，并通过扫描改变泵浦光焦点在样品体内的位置，从而获得透明光学材料体内吸收特性和缺陷的三维空间分布。本发明具有高分辨、高灵敏度等优点。

Description

透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光学材料吸收特性的检测技术领域，具体是一种透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法及装置。

 

背景技术

透明光学材料是强激光系统中不可缺少的关键元件，例如KDP晶体，常在强激光系统中用作光电开关和激光倍频元件。因此，透明光学材料的抗激光损伤的能力是影响强激光系统性能的至关重要的因素之一。对透明光学材料来说，决定其抗激光损伤能力的是材料中的缺陷和杂质。

透明光学材料中的缺陷和杂质可分为两类：一类是表面缺陷和杂质，这主要是在材料的加工过程中（如切割、研磨、抛光等）引入的；另一类是体内缺陷和杂质，这主要是在材料生长过程中引入的。在这两类缺陷中，人们往往更多地关注表面缺陷，对表面缺陷的分析检测相对更容易，这是因为对表面缺陷的分析检测是二维检测，而对体内缺陷的分析检测需要进行三维检测。

对于光学材料的体内缺陷而言，通常可以分为吸收缺陷和非吸收缺陷：吸收缺陷通过对光能量的吸收引起缺陷区域材料光学性质的变化，从而改变透过的光束性质的变化；而非吸收缺陷，会引起光束的散射等；不同的缺陷对光学系统的影响是不一样的。

而目前常用的一些缺陷检测方法，如高分辨率散射测量方法，主要对一些会引起光束散射的非吸收缺陷敏感，难以用于吸收缺陷的分析。但是在强激光系统中，透明光学材料的体内吸收缺陷往往更容易引起材料的破坏和损伤，因此对透明光学材料的体内吸收缺陷进行有效的分析检测对于强激光系统的开发与应用具有十分重要的现实意义。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高分辨率和高灵敏度的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法及装置，通过该方法及装置能够获得透明光学材料体内吸收特性和缺陷的三维空间分布。

本发明的技术方案为：

一种透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，包括以下步骤：

（1）对泵浦光源输出的泵浦光束的光强进行调制，并将经过调制的泵浦光束聚焦到被测透明光学材料体内；

（2）将探测光源输出的探测光束的传播方向调整成与泵浦光束的传播方向正交，将该探测光束也聚焦到被测透明光学材料体内，与泵浦光束的焦点重合；

（3）采用光电探测器对从被测透明光学材料体内透射的探测光束进行探测，光电探测器将探测的光信号转化成电信号，输入交流弱信号检测装置进行检测，获得探测光束的传播特性在经过被测透明光学材料体内某一探测点时的变化量；

（4）根据探测光束的传播特性在经过被测透明光学材料体内某一探测点时的变化量，得到被测透明光学材料体内该探测点对泵浦光束的吸收特性；

（5）改变泵浦光束在被测透明光学材料体内的聚焦位置，重复上述步骤（2）、步骤（3）和步骤（4），得到被测透明光学材料体内各个探测点对泵浦光束的吸收特性，获得被测透明光学材料体内吸收特性的三维分布。

所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，所述步骤（3）中，从被测透明光学材料体内透射的探测光束经由探测光会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器后，再进入光电探测器。

所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，所述步骤（3）中，所述交流弱信号检测装置选用锁相放大器。

所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，所述步骤（5）中，改变泵浦光束在被测透明光学材料体内的聚焦位置，具体通过将被测透明光学材料固定放置在位移装置上，再将所述被测透明光学材料随同位移装置一起移动来实现。

一种透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，包括分别与被测透明光学材料光路连接的泵浦光源、探测光源、泵浦光吸收装置和光电探测器，所述泵浦光源与被测透明光学材料之间依次设有泵浦光调制装置、泵浦光角度调整装置和泵浦光会聚装置，所述探测光源与被测透明光学材料之间设有探测光第一会聚装置，所述被测透明光学材料与光电探测器之间依次设有探测光第二会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器；所述光电探测器的输出端与交流弱信号检测装置的输入端连接。

所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，还包括用于放置和移动被测透明光学材料的位移装置，所述位移装置与被测透明光学材料固定连接。

所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，所述泵浦光调制装置与泵浦光角度调整装置之间依次设有泵浦光整形处理装置和泵浦光分光装置，所述泵浦光分光装置的反射光路上设有泵浦光功率探测装置。

所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，所述探测光源与探测光第一会聚装置之间设有探测光整形处理装置。

所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，所述探测光滤光装置与空间滤波器之间设有探测光分光装置，所述探测光分光装置的反射光路上设有探测光功率探测装置。

本发明通过将一束较强的泵浦光聚焦到透明光学材料内部，在泵浦光焦点位置由于光能量的吸收引起透明光学材料局部温度升高，从而引起透明光学材料体内局部物理特性发生变化，并将一束传播方向与该泵浦光传播方向正交的较弱的探测光也聚焦到透明光学材料体内,与泵浦光的焦点重合,对由于吸收泵浦光而引起的透明光学材料局部物理特性变化进行检测，从而获得透明光学材料体内泵浦光焦点位置的吸收特性，并通过扫描改变泵浦光焦点在透明光学材料体内的位置，从而获得透明光学材料体内吸收特性和缺陷的三维空间分布，本发明具有高分辨、高灵敏度等优点。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的装置结构示意图。

 

具体实施方式

如图1所示，泵浦光束100经过泵浦光会聚装置6聚焦到被测透明光学材料8上，焦点在被测透明光学材料体内。由于被测透明光学材料8本身对泵浦光能量的吸收，在泵浦光束100经过的区域都会引起其温度的升高，从而使得被测透明光学材料8的物理特性发生变化，比如热膨胀、折射率改变等。而在焦点位置，因为激光能量最为集中，因此被测透明光学材料8的物理特性变化也最为显著。此时，用一束较弱的探测光束110，传播方向与泵浦光束100传播方向垂直，经由探测光第一会聚装置13聚焦到被测透明光学材料8内部，与泵浦光的焦点重合。在被测透明光学材料8内部的泵浦光焦点处，由于吸收泵浦光所引起的材料物理特性的变化，会相应地引起经过该区域的探测光束110的传播特性发生变化，如会产生新增的会聚或发散效应。这种变化的大小是由被测透明光学材料8本身对泵浦光吸收的大小决定的。吸收越大，引起探测光束传播特性的变化也越大，相应地，光电探测器19探测到的激光诱导光热信号也越大。在一定的泵浦光功率范围内，吸收与测量信号呈线性关系。通过对这种探测光束传播特性变化的检测，就可以得到被测透明光学材料8在泵浦光焦点处对泵浦光的吸收特性。

对探测光束传播特性的变化的检测，可以采用由探测光第二会聚装置14、探测光滤光装置15、空间滤波器18和光电探测器19所组成的检测单元来进行。经过被测透明光学材料8的探测光束110由探测光第二会聚装置14收集，并通过探测光滤光装置15滤掉除探测光以外的杂散光，再经过空间滤波器18后由光电探测器19进行探测，空间滤波器18只让部分探测光束110通过。探测光束110中产生新增的会聚或发散效应，会相应地引起通过空间滤波器18的探测光能量的改变，即光电探测器19所探测到的探测光能量会变化。由于探测光束传播特性的变化量往往比较小，甚至小于探测光束本身的噪声波动，因此一般需要利用交流弱信号检测装置来进行检测，常用的交流弱信号检测装置有锁相放大器等，采用锁相放大器对激光诱导光热信号进行检测时，将对泵浦光束进行光强调制的调制信号频率作为锁相放大器的参考信号频率，这样可以大大抑制探测光束本身的噪声以及外部环境噪声等对测量结果的影响，达到很高的检测灵敏度；调制信号的频率不宜过高，这样可以消除被测透明光学材料本身热物理特性对检测结果的影响。

当泵浦光的焦点位置相对被测透明光学材料8进行移动，探测光的焦点位置也相对被测透明光学材料8移动，并始终与泵浦光焦点位置重合，对经过的被测透明光学材料8上的每一点都进行检测，就可以获得被测透明光学材料体内的吸收缺陷的三维分布。在存在吸收缺陷的区域，对泵浦光的吸收要远远高于没有吸收缺陷的区域，因此在存在吸收缺陷的区域测得的光热信号也远远高于没有吸收缺陷的区域，在获得的被测透明光学材料体内吸收特性的三维分布中，吸收缺陷区域与非吸收缺陷区域可以明显地区分开来，即可以获得吸收缺陷的位置分布及大小。

本发明采用泵浦光与探测光正交，只在焦点位置重合，这样，在进行三维空间扫描检测时，检测的分辨率只由泵浦光焦点的尺寸决定。通过适当的聚焦装置，可以在被测透明光学材料体内获得很小的泵浦光焦点尺寸，如对于紫外波段的激光，可以达到微米量级，这就意味着可以获得很高的检测分辨率。在被测透明光学材料体内泵浦光的传播路径上，由于吸收泵浦光都会引起被测透明光学材料物理特性发生变化，如果采用泵浦光与探测光共线的结构进行检测，被测透明光学材料体内泵浦光传播路径上的被测透明光学材料物理特性变化都会引起探测光传播特性改变，因此在泵浦光的传播方向上没有空间分辨率，只能在垂直于泵浦光传播方向上进行二维分辨检测；如果采用泵浦光与探测光相交成一定角度进行检测，分辨率是由泵浦光与探测光相交重合部分的尺寸决定的，显然这种检测结构的最小分辨率要远大于采用泵浦光与探测光正交的检测结构的分辨率，不利于进行高分辨检测。

如图2所示，一种透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，包括泵浦光源1、泵浦光调制装置2、泵浦光整形处理装置3、泵浦光分光装置4、泵浦光功率探测装置5、泵浦光会聚装置6、泵浦光角度调整装置7、被测透明光学材料8、位移装置9、泵浦光吸收装置10、探测光源11、探测光整形处理装置12、探测光第一会聚装置13、探测光第二会聚装置14、探测光滤光装置15、探测光分光装置16、探测光功率探测装置17、空间滤波器18、光电探测器19和交流弱信号检测装置20。

泵浦光调制装置2可采用光调制器或者斩波器，泵浦光整形处理装置3和探测光整形处理装置12可采用扩束镜，泵浦光分光装置4和探测光分光装置16可采用分光片或者分光棱镜，泵浦光功率探测装置5和探测光功率探测装置17可采用功率计或者功率探测器，泵浦光会聚装置6、探测光第一会聚装置13和探测光第二会聚装置14可采用聚焦透镜，泵浦光角度调整装置7可采用高反射镜，探测光滤光装置15可采用滤光片，交流弱信号检测装置20可采用锁相放大器。

由泵浦光源1发出的光束经过泵浦光调制装置2后光强受到调制，再经过泵浦光整形处理装置3后由泵浦光分光装置4分为两束，其中一束进入到泵浦光功率探测装置5，用于对入射到被测透明光学材料8体内的泵浦光的功率进行监测，另一束依次经过泵浦光角度调整装置6、泵浦光会聚装置7和被测透明光学材料8后，被泵浦光吸收装置10吸收。泵浦光的焦点位于被测透明光学材料8的体内，被测透明光学材料8放置于位移装置9上，被测透明光学材料8的位置可相对于泵浦光的焦点移动。由于被测透明光学材料8本身对激光能量的吸收，在泵浦光束经过的区域都会引起被测透明光学材料8温度的升高，从而使得被测透明光学材料8的物理特性发生变化，如热膨胀、折射率改变等。而在焦点位置，因为激光能量最为集中，因此被测透明光学材料8的物理特性改变也最为显著。

由探测光源11发出的探测光依次经过探测光整形处理装置12、探测光第一会聚装置13和被测透明光学材料8，在被测透明光学材料8体内，探测光传播方向与泵浦光传播方向垂直，探测光焦点和泵浦光焦点重合，经过被测透明光学材料8的探测光束经由探测光第二会聚装置14收集、再经过探测光滤光装置15滤掉除探测光以外其它波段的杂散光，经过探测光滤光装置15的探测光束由探测光分光装置16分为两束，一束进入探测光功率探测装置17，用于对探测光的功率进行监测，另一束则经过空间滤波器18后由光电探测器19进行探测，光电探测器19将探测的光信号转化成电信号，输入交流弱信号检测装置20进行检测，再经过后续的数据分析处理，得到透明光学材料体内吸收特性和缺陷的三维空间分布。

被测透明光学材料8固定放置在位移装置9上，可以相对于泵浦光焦点和探测光焦点进行扫描移动，从而获得被测透明光学材料8体内吸收特性的三维空间分布。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对泵浦光源输出的泵浦光束的光强进行调制，并将经过调制的泵浦光束聚焦到被测透明光学材料体内；

（2）将探测光源输出的探测光束的传播方向调整成与泵浦光束的传播方向正交，将该探测光束也聚焦到被测透明光学材料体内，与泵浦光束的焦点重合；

（3）采用光电探测器对从被测透明光学材料体内透射的探测光束进行探测，光电探测器将探测的光信号转化成电信号，输入交流弱信号检测装置进行检测，获得探测光束的传播特性在经过被测透明光学材料体内某一探测点时的变化量；

（4）根据探测光束的传播特性在经过被测透明光学材料体内某一探测点时的变化量，得到被测透明光学材料体内该探测点对泵浦光束的吸收特性；

（5）改变泵浦光束在被测透明光学材料体内的聚焦位置，重复上述步骤（2）、步骤（3）和步骤（4），得到被测透明光学材料体内各个探测点对泵浦光束的吸收特性，获得被测透明光学材料体内吸收特性的三维分布。

2.根据权利要求1所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，其特征在于,所述步骤（3）中，从被测透明光学材料体内透射的探测光束经由探测光会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器后，再进入光电探测器。

3.根据权利要求1所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，其特征在于,所述步骤（3）中，所述交流弱信号检测装置选用锁相放大器。

4.根据权利要求1所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测方法，其特征在于,所述步骤（5）中，改变泵浦光束在被测透明光学材料体内的聚焦位置，具体通过将被测透明光学材料固定放置在位移装置上，再将所述被测透明光学材料随同位移装置一起移动来实现。

5.一种透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，其特征在于：包括分别与被测透明光学材料光路连接的泵浦光源、探测光源、泵浦光吸收装置和光电探测器，所述泵浦光源与被测透明光学材料之间依次设有泵浦光调制装置、泵浦光角度调整装置和泵浦光会聚装置，所述探测光源与被测透明光学材料之间设有探测光第一会聚装置，所述被测透明光学材料与光电探测器之间依次设有探测光第二会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器；所述光电探测器的输出端与交流弱信号检测装置的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，其特征在于：还包括用于放置和移动被测透明光学材料的位移装置，所述位移装置与被测透明光学材料固定连接。

7.根据权利要求5所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，其特征在于：所述泵浦光调制装置与泵浦光角度调整装置之间依次设有泵浦光整形处理装置和泵浦光分光装置，所述泵浦光分光装置的反射光路上设有泵浦光功率探测装置。

8.根据权利要求5所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，其特征在于：所述探测光源与探测光第一会聚装置之间设有探测光整形处理装置。

9.根据权利要求5所述的透明光学材料体内吸收特性三维分布的检测装置，其特征在于：所述探测光滤光装置与空间滤波器之间设有探测光分光装置，所述探测光分光装置的反射光路上设有探测光功率探测装置。

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