CN104048813B - 一种激光损伤光学元件过程的记录方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光对光学元件损伤过程的动态记录方法及其装置，可用于激光加工、光学元件的检测、激光与物质相互作用的机理分析等领域。本发明为：将与辐照激光同轴的He‑Ne激光投射于受试光学元件中成像点A；采用表面记录相机和功能记录相机采集点A处的表面成像，并设置第一补光光源和第二补光光源投射光线至A，分别对表面记录相机和功能记录相机的成像进行补光；第二补光光源与光学元件之间的光路上设置分辨率板。采用表面记录相机采集光学元件表面点A处的表面图像进行记录并分析光学元件的形貌损伤程度，采用功能记录相机采集经点A反射的分辨率板图像并分析光学元件的功能损伤程度。本发明适用于对激光损伤光学元件的过程进行动态记录。

Description

一种激光损伤光学元件过程的记录方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种激光对光学元件损伤过程的动态记录方法及其装置，可用于激光加工、光学元件的检测、激光与物质相互作用的机理分析等领域。

背景技术

光学元件通常由基底材料和表面光学薄膜组成，是构成各类光学系统的主要部件。光学元件在强激光辐照下会出现各种不同程度的损伤，目前对该损伤进行检测和记录的方法主要有显微观测、散射光法、光热光声法、扫描电镜法、干涉法、全息探测法、等离子体闪光法等。其中，能够实时检测并记录损伤过程的主要有散射光法和等离子体闪光法。

散射光法是将可见的He-Ne激光以一定角度斜入射到辐照激光在光学元件表面的入射点，当该表面在辐照激光作用下发生损伤时，He-Ne激光散射光的能量也将出现变化，因此可以通过He-Ne激光散射光的能量变化来判断激光损伤的发生；等离子体发光法是通过观察光学元件在激光辐照下所产生的等离子体发光现象来判断元件是否损伤。

可以看出，上述散射光法与等离子体发光法是通过散射光能量变化或者发光现象进行损伤检测的，因此其并不能以直观的图像来显示整个损伤过程，对损伤机理的分析帮助不大，也不能反映损伤发生的程度。而且，在连续激光或长脉冲激光辐照时，等离子体闪光比较弱，很多时候甚至不能反映损伤的发生。

由此，以上现有方法在检测和记录激光对光学元件的损伤方面存在如下主要缺陷：

1、无法对光学元件的损伤动态过程进行记录，在高功率或者高能量激光的某些应用，如激光加工、激光损伤等应用中，测试者更加关注的是损伤发生的过程，例如，在一定的到靶功率或能量密度下，光学元件能否发生损伤、损伤的过程、程度和发展速度等。

2、对损伤过程中元件功能的变化关注不够，由于光学元件功能的变化对整个光学系统的工作有重要影响，有时用元件功能的变化判断是否存在损伤更加合理。

因此对于激光损伤光学元件的检测和记录方法提出了以下新的要求：一是需要可以实时检测并记录损伤发生的动态过程；二是要求可以直观反映损伤发生的程度；三是要求能够反映光学元件受到损伤后功能的变化。而检测并记录光学元件在激光辐照下，形貌和功能的动态变化过程是现有技术所不具备的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光损伤光学元件过程的记录方法，能够在激光损伤光学元件时，实现实时检测和记录光学元件在激光辐照下表面形貌的变化，同时能够实现同步记录光学元件在激光辐照下功能发生的变化。

为达到上述目的，本方法包括如下步骤：

第一步、将辐照激光与He-Ne激光调整至同轴；关闭辐照激光，打开He-Ne激光，将He-Ne激光投射于受试光学元件中表面一点，该点记为激光辐照点A。

第二步、采用表面记录相机和功能记录相机聚焦于成像点A，调整表面记录相机的镜头焦距使其对激光辐照点A处的表面成像；同时设置第一补光光源和第二补光光源投射光线至激光辐照点A，分别对表面记录相机和功能记录相机的成像进行补光。

第一补光光源的投射光线经激光辐照点A反射至表面记录相机中；第二补光光源的投射光线经激光辐照点A反射至功能记录相机中，在第二补光光源与光学元件之间的光路上设置分辨率板；移动分辨率板的位置，并调节功能记录相机的焦距，使其对经A点反射的分辨率板成像。

第三步、关闭He-Ne激光，打开辐照激光，采用表面记录相机对光学元件表面激光辐照点A处的表面图像进行记录，采用功能记录相机对经激光辐照点A反射的分辨率板图像进行记录。

第四步、激光辐照结束后，利用表面记录相机所采集的各帧表面图像与标准表面图像进行对比，根据各帧表面图像与标准表面图像之间的表面形貌变化，分析在不同的激光辐照时间下，受试光学元件的形貌损伤程度。

标准表面图像为在无辐照激光和He-Ne激光入射的情况下，表面记录相机所采集的A点的表面图像。

利用功能记录相机采集各帧分辨率板图像，与标准分辨率板图像进行对比，根据各帧分辨率板图像和标准分辨率板图像间相对位置点以及图形畸变，计算得出其激光辐照过程中图像的位置点的相对偏移量或者灰度变化，并对图形畸变情况进行分析，从而获得受试光学元件的功能在激光照射下的损伤过程以及损伤程度。

标准分辨率板图像为在无辐照激光和He-Ne激光入射的情况下，功能记录相机所采集的经A点反射后的分辨率板图像。

优选地，若辐照激光为脉冲体制激光，则设置表面记录相机和功能记录相机的帧频均与激光脉冲的频率相同；若辐照激光为连续或者准连续激光，则设置表面记录相机和功能记录相机的帧频相同。

优选地，设置表面记录相机和功能记录相机的帧频时，采用同步控制；表面记录相机和功能记录相机均设置外部触发端口，该外部触发端口连接同步控制器；同步控制器的功能为：当辐照激光为脉冲体制激光时，以辐照激光的每一个脉冲触发同步控制器，当辐照激光为连续或者准连续激光时，以设定的的频率触发同步控制器，同步控制器在被触发后，通过外部触发端口同时触发表面记录相机和功能记录相机进行一帧图像的采集。

本发明同时提供了一种激光损伤光学元件过程的记录装置，基于上述方法，使用该装置能够实现实时检测和记录光学元件在激光辐照下表面形貌的变化，同时能够实现同步记录光学元件在激光辐照下功能发生的变化。

为达到上述目的，本装置包括辐照激光发射仪、He-Ne激光发射仪、第一补光光源、第二补光光源、表面记录相机、功能记录相机以及分辨率板。辐照激光发射仪用于将辐照激光投射于受试光学元件表面一点，即激光辐照点A；He-Ne激光发射仪用于将与辐照激光同轴的He-Ne激光投射于受试光学元件中的激光辐照点A；第一补光光源用于投射第一光线至A点；第二补光光源用于投射第二光线至A点；其中第二补光光源与A点之间的光路上设置分辨率板；表面记录相机聚焦于A点，且位于A点对第一光线的反射光路上；功能记录相机聚焦于经A点反射后的分辨率板成像，且位于A点对第二光线的反射光路上。

进一步地，该装置还包括同步控制器，表面记录相机和功能记录相机均设置外部触发端口，该外部触发端口连接同步控制器；同步控制的功能为：当辐照激光为脉冲体制激光时，以激光的每一个脉冲触发同步控制器，当辐照激光为连续或者准连续激光时，以设定的频率触发同步控制器，同步控制器在被触发后，通过外部触发端口同时触发表面记录相机和功能记录相机对A点进行一帧图像的采集。

有益效果：

1、本方法设置了表面记录相机和功能记录相机，并针对表面记录相机和功能记录相机的不同检测功能进行了不同的光路设定，以此来记录光学元件在激光辐照下所发生的表面损伤形貌、功能变化、过程时间演变等信息，并通过后续对试验结果的分析可以准确判断光学元件发生表面形变、功能变化、或不同程度损伤的时刻，有助于分析光学元件在激光辐照下发生损伤的机理。本发明中例如，可以通过对经光学元件表面反射的分辨率板成像状态变化的定量标定，分析元件表面的形变和反射功能的变化；再如，可以通过对不同时间损伤图像的分析和测量，计算激光损伤的发展速度、进而分析作用机制。

2、本方法通过设定表面记录相机和功能记录相机的帧频来实现对脉冲激光或连续激光的不同图像获取，同时又采用触发机制的同步控制器来实现对于两个相机的同步控制，从而能够为后续对于各帧图像的分析提供较为明确的时间节点，为确定不同程度的表面损伤和功能损伤发生的时刻提供便利，从而能够更加精确地确定发生不同程度的宏观损伤时所需要的辐照激光能量密度阈值。

3、本发明同时提供了一种激光损伤光学元件过程的记录装置，基于上述方法，使用该装置能够实现实时检测和记录光学元件在激光辐照下表面形貌的变化，同时能够实现同步记录光学元件在激光辐照下功能发生的变化。

附图说明

图1为本发明方法中的各部分组成图；

图2(a)为利用表面记录相机所采集的其中一帧表面图像；(b)为标准表面图像；

图3(a)为利用功能记录相机采集其中一帧分辨率板图像；(b)为标准分辨率板图像。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、

本发明提供了一种激光损伤光学元件过程的记录方法，其特点是同步记录受试光学元件表面形貌和功能的变化过程，如图1所示，该方法是通过表面记录相机和功能记录相机以及二者各自的补光光源组成的。该方法具体包括如下步骤：

第一步、将辐照激光与He-Ne激光调整至同轴；关闭辐照激光，打开He-Ne激光，将He-Ne激光投射于受试光学元件中表面一点，该点记为激光辐照点A。

He-Ne激光为光学实验过程中常用的激光形式，这是因为辐照激光是不可见的，而He-Ne激光则是通常所见的红色激光，这可用于精确引导后续表面记录相机和功能记录相机在光学元件表面的成像位置A，使二者对元件的同一部分表面进行记录。

本步骤实际的实施过程中，为了固定受试光学元件并使其能够进行一定的移动，可以将受试光学元件固定于三维平移台上，该三维平移台可以进行精密移动。同时在受试光学元件背离激光入射点的方向一定距离处设置激光吸收池，这样能够吸收多余激光，可避免激光进一步损伤其他光学元件。

第二步、采用表面记录相机和功能记录相机聚焦于激光辐照点A，调整表面记录相机的镜头焦距使其对激光辐照点A处的表面成像；同时设置第一补光光源和第二补光光源投射光线至激光辐照点A分别对表面记录相机和功能记录相机的成像进行补光。

第一补光光源的投射光线经激光辐照点A反射至表面记录相机中，该光路中无遮挡；第二补光光源的投射光线经激光辐照点A反设置功能记录相机中，该光路中在第二补光光源一端放置分辨率板。

移动分辨率板的位置，并调节功能记录相机的焦距，使其对经A点反射的分辨率板图像。

该步骤中各元器件的选取要求具体为：

1、表面记录相机和功能记录相机

该两种相机均由CMOS相机和光学系统组成，二者选取相同的参数。其中，CMOS相机的参数主要根据激光体制、成像要求和图像存储能力等进行选取。当激光为脉冲体制时，可选相机帧频与脉冲频率相同，这样可以观测每个激光脉冲对元件造成的损伤；对于连续或准连续激光，如果相机帧频过高会对采集和存储带来很大的困难，考虑到激光对光学元件造成损伤的主要物理机制是热和热应力，是缓变过程，帧频在1kHz时即可以毫秒的时间尺度观测并记录光学元件的变化，应可满足需求。

设置表面记录相机和功能记录相机的帧频时，采用同步控制器；表面记录相机和功能记录相机均设置外部触发端口，该外部触发端口连接同步控制器，当激光为脉冲体制激光时，以激光的每一个脉冲触发同步控制器，当激光为连续或者准连续激光时，以1kHz的频率触发同步控制器，同步控制器在被触发后，通过外部触发端口同时触发表面记录相机和功能记录相机进行一帧图像的采集。

CMOS相机积分时间的选取主要根据补光光源强度以及入射激光杂散光的强弱来决定；相机的像素大小主要根据样品的大小，激光光斑大小，成像距离，分辨率板的刻度等参数决定的。

相机的光学系统又包括镜头和滤光片。镜头用于对光学元件表面或分辨率板成像，为提高分辨能力，镜头应选用短焦距的放大镜头，其放大倍数与成像距离，光斑大小以及受试样品的大小有关，成像区域应大于激光在光学元件上的辐照区域。滤光片主要用于滤除辐照激光的杂散光以提高成像质量，一般采用低通滤光片或者带通滤光片来实现。

2、补光光源

可以用LED强光光源，亮度越高效果越好，并且需要带有聚光功能。

3、分辨率板

即实验室常规分辨率板，分辨率板经受试光学元件表面反射后在功能记录相机中成像，样品未受激光辐照时，其表面平整，那么可以在功能记录相机中得到清晰的分辨率板成像，当光学元件受到激光辐照后表面出现热变形、熔融等形貌变化，那么功能记录相机中观察到的分辨率板的像则会模糊，此时可以认为受试样品表面的反射功能受到影响。

第三步、关闭He-Ne激光，打开辐照激光，采用表面记录相机对光学元件表面激光辐照点A处的表面图像进行记录，采用功能记录相机对经激光辐照点A反射的分辨率板图像进行记录。

第四步、激光辐照结束后，利用表面记录相机所采集的各帧表面图像与标准表面图像进行对比，其中标准表面图像为在无激光入射的情况下，表面记录相机对A点的图像，如图2(b)所示，图2(a)为利用表面记录相机所采集的其中一帧表面图像，根据各帧表面图像与标准表面图像之间的表面形貌变化，即图2(a)和(b)之间的差别，分析在不同的激光辐照时间下，受试光学元件的形貌损伤程度。

利用功能记录相机采集各帧分辨率板图像如图3(a)所示，与标准分辨率板图像进行对比，标准分辨率板图像为在无激光入射的情况下，分辨率板在受试光学元件中成像点A的成像，如图3(b)所示。

根据各帧分辨率板成像和标准分辨率板成像间相对位置点以及图形畸变，计算得出其激光辐照过程中图像的位置点的相对偏移量，并对图形畸变情况进行分析，从而获得受试光学元件的功能在激光照射下的损伤过程以及损伤程度；

根据图3(a)和(b)，可以看出(a)中由于光学元件材料热变形出现了扭曲的图像，通过二者的对比并计算某一位置点的相对偏移量或者其他变化，可分析该处光学元件的功能损伤，例如通过图3(a)和(b)同一位置点的灰度值的变化，可计算得出此位置光学元件表面的反射率的变化。

实施例2、

基于上述方法，本实施例提供了一种激光损伤光学元件过程的记录装置，该装置包括He-Ne激光发射仪、第一补光光源、第二补光光源、表面记录相机、功能记录相机以及分辨率板。

He-Ne激光发射仪用于将He-Ne激光投射于受试光学元件中表面一点，该点记为成像点A。

第一补光光源用于投射第一光线至A点。

第二补光光源用于投射第二光线至成像点A；其中第二补光光源与A点之间的光路上设置分辨率板。

表面记录相机聚焦于A点，且位于A点对第一光线的反射光线上。

功能记录相机聚焦于A点，且位于A点对第二光线的反射光线上。

本实施例中为了能够实现方法中的同步控制，该装置还包括同步控制器，表面记录相机和功能记录相机均设置外部触发端口，该外部触发端口连接同步控制器；

同步控制的功能为：当He-Ne激光仪所发射激光为脉冲体制激光时，以激光的每一个脉冲触发同步控制器，当He-Ne激光仪所发射激光为连续或者准连续激光时，以1kHz的频率触发同步控制器，同步控制器在被触发后，通过外部触发端口同时触发表面记录相机和功能记录相机对A点进行一帧图像的采集。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光损伤光学元件过程的记录方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、将辐照激光与He-Ne激光调整至同轴；关闭辐照激光，打开He-Ne激光，将He-Ne激光投射于受试光学元件中表面一点，该点记为激光辐照点A；

第二步、采用表面记录相机和功能记录相机聚焦于成像点A，调整表面记录相机的镜头焦距使其对激光辐照点A处的表面成像；同时设置第一补光光源和第二补光光源投射光线至激光辐照点A，分别对表面记录相机和功能记录相机的成像进行补光；

所述第一补光光源的投射光线经激光辐照点A反射至表面记录相机中；所述第二补光光源的投射光线经激光辐照点A反射至功能记录相机中，在第二补光光源与光学元件之间的光路上设置分辨率板；

移动分辨率板的位置，并调节功能记录相机的焦距，使其对经A点反射的分辨率板成像；

第三步、关闭He-Ne激光，打开辐照激光，采用表面记录相机对光学元件表面激光辐照点A处的表面图像进行记录，采用功能记录相机对经激光辐照点A反射的分辨率板图像进行记录；

第四步、激光辐照结束后，利用表面记录相机所采集的各帧表面图像与标准表面图像进行对比，根据各帧表面图像与标准表面图像之间的表面形貌变化，分析在不同的激光辐照时间下，受试光学元件的形貌损伤程度；

所述标准表面图像为在无辐照激光和He-Ne激光入射的情况下，表面记录相机所采集的A点的表面图像；

利用功能记录相机采集各帧分辨率板图像，与标准分辨率板图像进行对比，根据各帧分辨率板图像和标准分辨率板图像间相对位置点以及图形畸变，计算得出其激光辐照过程中图像的位置点的相对偏移量或者灰度变化，并对图形畸变情况进行分析，从而获得受试光学元件的功能在激光照射下的损伤过程以及损伤程度；

所述标准分辨率板图像为在无辐照激光和He-Ne激光入射的情况下，功能记录相机所采集的经A点反射后的分辨率板图像。

2.如权利要求1所述的一种激光损伤光学元件过程的记录方法，其特征在于，若所述辐照激光为脉冲体制激光，则设置所述表面记录相机和功能记录相机的帧频均与激光脉冲的频率相同；若所述辐照激光为连续或者准连续激光，则设置所述表面记录相机和功能记录相机的帧频相同。

3.如权利要求2所述的一种激光损伤光学元件过程的记录方法，其特征在于，设置表面记录相机和功能记录相机的帧频时，采用同步控制；所述表面记录相机和功能记录相机均设置外部触发端口，该外部触发端口连接同步控制器；所述同步控制器的功能为：当辐照激光为脉冲体制激光时，以辐照激光的每一个脉冲触发同步控制器，当辐照激光为连续或者准连续激光时，以设定的的频率触发同步控制器，同步控制器在被触发后，通过外部触发端口同时触发表面记录相机和功能记录相机进行一帧图像的采集。

4.一种激光损伤光学元件过程的记录装置，其特征在于，该装置包括辐照激光发射仪、He-Ne激光发射仪、第一补光光源、第二补光光源、表面记录相机、功能记录相机以及分辨率板；

所述辐照激光发射仪用于将辐照激光投射于受试光学元件表面一点，即激光辐照点A；

所述He-Ne激光发射仪用于将与辐照激光同轴的He-Ne激光投射于受试光学元件中的激光辐照点A；

所述第一补光光源用于投射第一光线至A点；

所述第二补光光源用于投射第二光线至A点；其中第二补光光源与A点之间的光路上设置分辨率板；

所述表面记录相机聚焦于A点，且位于A点对第一光线的反射光路上；

所述功能记录相机聚焦于经A点反射后的分辨率板成像，且位于A点对第二光线的反射光路上；

该装置还包括同步控制器，所述表面记录相机和功能记录相机均设置外部触发端口，该外部触发端口连接同步控制器；

所述同步控制的功能为：当所述辐照激光为脉冲体制激光时，以激光的每一个脉冲触发同步控制器，当所述辐照激光为连续或者准连续激光时，以设定的频率触发同步控制器，同步控制器在被触发后，通过外部触发端口同时触发表面记录相机和功能记录相机对A点进行一帧图像的采集。