CN104101486A - 双光束延迟激光损伤测试系统 - Google Patents

Abstract

一种双光束延迟激光损伤测试系统，该系统由脉冲激光器、激光器控制器、七个反射镜、四个分光镜、两个环形可变中性密度滤波片、电控平移台、电机驱动器、主控计算机、电子快门、两个平凸透镜、三维电控样品台、光束质量分析仪、能量探测器、高分辨彩色CCD成像装置和白光光源构成。本发明利用计算机实行自动化控制，能进行不同脉宽激光对光学元件表面的激光损伤阈值测试。

Description

双光束延迟激光损伤测试系统

技术领域

本发明涉及光学元件激光损伤测试，具体涉及一种双光束延迟激光损伤测试系统。

背景技术

光学薄膜等光学元件是激光系统中不可缺少的基本元件，也是整个系统中最薄弱的环节之一。应用于大能量、高功率激光系统中的光学元件，要求在长时间范围内稳定工作，或者系统的性能不产生明显降低。但是光学元件受激光辐照后，即使出现十分微小的瑕疵，也会导致输出光束质量的下降，同时会造成后续元件的破坏，严重时将引起整个系统的瘫痪。光学元件的抗激光损伤特性将直接影响整个系统的设计以及系统运行的性能，因而光学元件的激光损伤问题一直是激光向高能量、高功率方向发展的“瓶颈”，同时也是影响整个激光系统使用寿命的决定性因素之一。因此目前评判高功率激光系统中元件质量优劣的一个重要指标是光学元件的激光损伤阈值。

根据国际标准ISO-11254和ISO-21254，在脉冲激光损伤中，根据激光辐照方式的不同，光学薄膜激光损伤阈值的测试方法主要有以下四种：1-on-1，又称单脉冲损伤，体现样品破坏的初始状态，每个测试点只接受一个激光脉冲辐照，不管出现损伤与否，样品移至下一个测试点；S-on-1，又称多脉冲损伤，表现元件在重复频率激光作用下的累积损伤效果，同样能量的多个脉冲作用于同一测试点；R-on-1，是探测元件在抗激光损伤方面可达到的最大潜力的方法，对每个测试点进行能量密度以斜坡式渐增的多次辐照；N-on-1，对R-on-1方法的简化，可用n个脉冲以从小到大的顺序以比较分离的能量密度间隔作用于同一测试点。用脉冲激光辐照被测样品表面，利用三维电控样品台在垂直于激光辐照方向的平面内做竖直或水平方向的移动，即可实现1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描等测试方法。国际标准推荐的检测方法为相衬显微法，即采用放大倍率100-150倍的Normaski显微镜对激光辐照后的光学元件进行观察，以判断是否发生激光损伤。

随着激光技术的发展，超短脉冲激光技术给激光的应用领域和光与物质相互作用的研究带来了革命性的发展。超短脉冲激光的获得，突破了因光电响应限制而未能开展的小于皮秒级动力学过程研究的极限，并将有关瞬态动力学研究的领域拓展到飞秒时域，为研究和认识自然界提供了崭新的方法。研究超快激光作用下光学元件的抗激光破坏问题，对于阐释超快激光与光学元件作用的物理机制、理清超快激光作用下光学元件的破坏问题，以及探索改善光学材料抗超短脉冲激光损伤能力的途径，具有非常重要的实际意义。超快激光与光学材料作用过程中的电子弛豫时间在理论分析中有重要作用，但其具体数值在很长时间内都处于理论模拟阶段，缺乏实验论证。双光束延迟激光辐照系统可以从实验角度确定激光与材料相互作用时的电子弛豫时间。

尽管现有的专利技术从不同侧面介绍了激光损伤阈值测试系统，也有专利将两组不同波长的激光系统合二为一，但从未有专利将同一脉冲激光分束后做双光束延迟的概念引入激光损伤阈值测试中，且测试系统大多只适用于脉宽在纳秒量级的激光器。已知光在空气中的传播速度约为3×10⁸m/s，1ps＝10^-12s，即光在空气中1ps传播约0.3mm。通过分光镜将一束脉冲激光分为两束，并改变两束激光到达样品的路程，可实现双光束在皮秒至纳秒范围的精确延迟控制，从而对研究激光与材料作用的超快动力学提供实验基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种双光束延迟激光损伤测试系统，该系统适用于不同激光脉宽的光学元件表面激光损伤阈值测试，并且实现系统的自动化控制。

本发明的技术解决方案如下：

一种双光束延迟激光损伤测试系统，特点在于其构成包括：由脉冲激光器和激光器控制器组成激光辐照控制单元并产生脉冲激光，沿该脉冲激光方向依次经第一反射镜和第二反射镜到第一分光镜；第一分光镜将脉冲光束分为反射光束和透射光束，所述的反射光束经第三反射镜和第四反射镜到第二分光镜组成标准光路，所述的透射光束经第五反射镜、第六反射镜和第一环形可变中性密度滤波片到第二分光镜组成延迟光路；第五反射镜和第六反射镜固定在电控平移台上，该平移台与电机驱动器相连，电机驱动器与插在主控计算机主板的运动控制卡相连，组成延迟控制单元；所述的第二分光镜将所述的标准光路的激光脉冲和所述的延迟光路的激光脉冲合束为主光束，该主光束依次经过第二环形可变中性密度滤波片、电子快门、第三分光镜、第四分光镜和第一平凸透镜，最终聚焦在三维电控样品台上的待测样品上；所述的电子快门与快门驱动器相连，该快门驱动器与电机驱动器相连组成脉冲控制单元；由所述的第三分光镜分出的反射光依次经第七反射镜和第二平凸透镜聚焦于光束质量分析仪，该光束质量分析仪与所述的主控计算机相连组成光束质量分析单元；经所述的第四分光镜分出的反射光束由能量探测器接收，该能量探测器的输出端与所述的主控计算机的输入端相连组成能量监测单元；高分辨彩色CCD成像装置对准主光束在所述的待测样品的焦点，所述的高分辨彩色CCD成像装置与插在主控计算机主板的图像采集卡相连，组成损伤形貌实时监控单元；白光光源对准所述的三维电控样品台以辅助损伤探测照明；该三维电控样品台与电机驱动器相连组成样品三维运动单元。

所述的脉冲激光器为飞秒、皮秒或纳秒激光脉宽的激光器，激光波长在300nm至1200nm之间均可。

所述的电子快门的曝光时刻、曝光时长和三维电控样品台的运动由计算机编程实现协同控制，在电机运动到指定位置时快门以指定时长开启。

所述的电控平移台以及三维电控样品台均由主控计算机编程控制，通过LabVIEW编写电机运动程序实现电机移动速度、加速度、水平间距、竖直间距、水平点数、竖直点数、水平间隔时间、竖直间隔时间、回程量、位移模式的设置，并实时显示目前打点状态和下一行倒计时。

本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：

1.本发明不仅可满足传统单光束激光损伤测试系统的1-on-1、S-on-1、N-on-1、R-on-1等激光损伤测试要求，而且可实现同一束脉冲激光的分束及合束，实现具有双光束延迟的激光辐照测试，其双光束延迟量达7000ps，可以8.3fs为延迟精度由电机运动系统精确调节。

2.本发明适用于脉宽在飞秒、皮秒、纳秒等不同时段的激光器，通过采用激光脉冲相应波长的反射镜和平凸透镜，系统适用于脉冲激光波长在300nm至1200nm内的激光器。

3.本发明中电子快门的曝光时刻、曝光时长和三维电控样品台的运动可由计算机编程实现协同控制，即在电机运动到指定位置时快门以指定时间开启。

4.本发明中电控平移台以及三维电控样品台均由主控计算机编程控制，通过LabVIEW编写电机运动程序可实现电机移动速度、加速度、水平间距、竖直间距、水平点数、竖直点数、水平间隔时间、竖直间隔时间、回程量、位移模式的设置，并实时显示目前打点状态和下一行倒计时。

附图说明

图1是本发明双光束延迟激光损伤测试系统示意图

图2是本发明电机运动程序设置面板

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明双光束延迟激光损伤测试系统示意图，由图1可见，本发明双光束延迟激光损伤测试系统，该系统适用于不同激光脉宽，可实现系统的自动化控制。该系统由Nd:YAG脉冲激光器1发出脉宽30ps，峰值能量50mJ，波长1064nm，频率10Hz的脉冲激光。通过激光器控制器2选择连续脉冲触发，并设置激光器能量衰减为50％。脉冲激光经中心波长1064nm的第一反射镜4和第二反射镜5到第一分光镜6，半导体激光器3从第一反射镜4背面入射以准直光路。由第一分光镜6按能量比20:1分为透射光束和反射光束。反射光束经中心波长1064nm的第三反射镜7和第四反射镜8到第二分光镜13组成标准光路。透射光束经中心波长1064nm的第五反射镜9和第六反射镜10到第二分光镜13组成延迟光路。第五反射镜9和第六反射镜10固定在电控平移台11上，该平移台与电机驱动器27第一通道接口相连。电机驱动器27的信号输入端与插在主控计算机30主板的NI-motion运动控制卡28相连。将第一环形可变中性密度滤波片12置于第六反射镜10和第二分光镜13之间，以调节延迟光路能量实现延迟光路和标准光路的能量匹配。由第二分光镜13实现延迟光束和标准光束的合束，合束后的主光束依次经过第二环形可变中性密度滤波片14、电子快门15、第三分光镜17、第四分光镜19和第一平凸透镜21，最终聚焦于三维电控样品台25。由第二环形可变中性密度滤波片14调节主光路能量，用于后续激光损伤测试。将电子快门15通过RS-232C标准串口连接快门驱动器16，并将快门驱动器16的“trigger input”端口与电机驱动器27第四通道接口相连。将第三分光镜17从主光路分出的光束依次经中心波长1064nm的第七反射镜18和第二平凸透镜22聚焦于光束质量分析仪26，该分析仪通过USB端口与主控计算机30相连，在监测双光束是否准直的同时，实时显示并记录光斑有效面积。将第四分光镜19从主光路分出的光束辐照能量探测器20，并将其与主控计算机30相连。通过测量主光路能量，与能量探测器20示数之比，得出主光路与能量测试光路的分光比，即可根据能量探测器20的示数实现激光脉冲能量的实时测量及存储。将具有聚光镜和衰减片的高分辨彩色CCD成像装置23与主控计算机30的图像采集卡29相连，并与主光轴成30°至60°夹角对准主光束焦点，实现损伤测试的实时监控，并实现损伤过程的录像以及损伤图样的保存。调节白光光源24亮度并以与主光轴成30°至60°夹角辐照光学元件表面，以辅助损伤探测。待测光学元件加持在三维电控样品台25的支架上，分别将三维电控样品台25的水平轴电机和垂直轴电机与电机驱动器27的第二和第三通道相连。

由主控计算机30通过LabVIEW语言编程制作电机运动程序(程序面板见附图2)，运动程序通过NI-motion运动控制卡28将运动指令传递给电机驱动器27，电机驱动器27将分析、计算所得的运动命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式送到电机并驱动电机，配合机械传动装置以得到确定的位置、速度、加速度、减速度，即特定的运动形式。

所述的脉冲激光器1为EKSPLA公司的PL2251A型皮秒激光器，可实现脉宽30ps，峰值能量50mJ(波长1064nm)、25mJ(波长532nm)、15mJ(波长355nm)、7mJ(波长266nm)四种波长脉冲激光输出，频率10Hz。脉冲能量从1％至100％可手动通过激光器控制器2设置。

所述的第一至第四分光镜6、13、17、19为50mm×50mm×5m棱镜，其倾斜表面镀有45°，中心波长1064nm的分光膜，与入射激光光路呈45°角放置。

所述的第一和第二环形可变中性密度滤波片12、14半径5cm，镀膜面积0°到270°，衰减倍率从0.1倍到10000倍连续可调。

所述的电子快门15是VINCENT ASSOCIATES公司的UNIBLITZ可电子编程控制快门系列的LS6型快门，快门光圈直径6mm，最短完全曝光时间0.8ms，峰值重复曝光频率为150Hz。LS6型快门外壳为阳极电镀铝保护层，叶片受光面涂覆AlMgF2、AlSiO，背面涂覆Teflon。

所述的快门驱动器16是VMM-T1快门驱动器，该驱动器可自定义曝光及延迟时间，可从0.1ms到9999s之间以0.1ms为精度准确设定，可自定义1～99次曝光周期次数，通过RS-232C标准串口连接快门，也可通过BNC标准接口连接外控。

所述的电机驱动器27为NI公司的UMI-7764电机驱动器，支持四通道电机的独立或联动控制。

所述的运动控制卡28为NI公司的PCI-7344运动控制卡。

所述的第一平凸透镜21和第二平凸透镜22直径30mm，焦距20cm，表面镀有中心波长1064nm的增透膜，透射率大于99.5％。

所述的光束质量分析仪26为Coherent公司的LaserCam-HR型光束质量分析仪。

所述的能量探测器20为OPHIR公司的Nova II能量探测器，有效探测口径为25mm，有效探测能量范围为50μJ至20J，具有数据输出功能。

所述的高分辨彩色CCD成像装置23放大倍率为100倍，显示区域为2.5mm×2mm。

所述的电机运动控制程序设置面板如图2所示，由图2可见，通过移动速度设置栏31可控制电机各轴移动速度。目前打点行数显示栏32和目前打点列数显示栏33分别显示下一激光脉冲所在的行和列。水平轴选取栏34和垂直轴选取栏38可分别在四个指令通道中选择合适的电机运动轴。水平间距设置栏35和行间距设置栏39可分别设置激光脉冲水平方向的触发间隔以及垂直方向的触发间隔。水平辐照点数设置栏36和行数设置栏40可分别设置水平打点数以及垂直所打行数。水平间隔时间设置栏37和行间隔时间设置栏41可分别设置激光脉冲水平打点间隔时间以及行间隔打点时间。倒计时显示栏42可实时显示距下一行打点所需剩余时间。位移模式选择栏43可选择电机运动方式是以绝对坐标移动，或是以相对坐标移动。加速度设置栏44和减速度设置栏45可分别设置电机起停的加速度。回程量设置栏46可设置每次打点后电机的回程量，此选项与电子快门结合，通过回程量的控制给快门驱动器输出脉冲电压，以实现快门在每次激光打点后的自动开闭。移动路径示意图47显示程序默认值所实现的激光扫描打点路径。水平运动停止按钮48和垂直运动停止按钮49可分别控制激光脉冲触发时电机的水平运动停止或者垂直运动停止。

所述的电控平移台11及三维电控样品台25电机整步运行分辨率为2.5μm。电控平移台11对应延迟分辨率为8.3fs，其有效行程为210cm，对应延迟时间为7000ps。

所述的待测光学元件可以是介质薄膜、金属薄膜、半导体薄膜、光栅等光学元件。

当所述的延迟光路被挡住时，该系统可作为单光束激光损伤阈值测试系统使用，即该系统具有极强的兼容性。

被测样品表面激光损伤阈值测试过程和步骤如下：

1)打开Nd:YAG脉冲激光器1及其水箱，预热激光器30分钟；

2)打开半导体激光器3电源，主控计算机30电源，电机驱动器27电源，快门驱动器16电源，高分辨彩色CCD成像装置23电源，白光光源24电源；

3)打开NI-MAX程序进行电机初始化设置，打开电机运动控制程序，打开光束质量分析软件BeamView进行光束质量监测，打开CCD图像采集程序并进行初始化设置；

4)将快门设置为常开状态，用Nd:YAG脉冲激光器控制器2设置激光输出能量及触发方式，点击开始进行脉冲触发；

5)用能量计置于第一平凸透镜21后测量主光路能量，并读取能量探测器20的能量值，记录分光比；

6)用能量计置于第一平凸透镜21后测量主光路能量，先后挡住标准光路和延迟光路以测量两支光路的能量，调节第一环形可变中性密度滤波片12使两光路能量相同；

7)将待测样品装夹在三维电控样品台25上，微调高分辨彩色CCD相机23位置使样品成像清晰；

8)在运动控制程序中，进行电机移动速度、水平(垂直)轴选取、水平(垂直)间距、水平(垂直)点数、水平(垂直)间隔时间、加速度、回程量、位移模式选取等设置；

9)设置快门驱动器16曝光时间及曝光延迟时间；

10)设置延迟光路的光束延迟距离；

11)点击运动程序开始按钮，电机按预设程序开始运动，并在指定位置快门开启，脉冲激光辐照至样品表面，通过对比激光辐照前后高分辨彩色CCD成像画面判断损伤与否，并记录相应损伤图像和能量计能量，以及光束质量分析软件的光束形貌及有效光斑面积；

12)根据步骤11)的样品损伤情况，调节第二环形可变中性密度滤波片14以改变下一行脉冲激光能量，由激光脉冲能量除以光斑有效面积得激光能量密度；以激光能量密度为横轴，以损伤几率为纵轴，得到光学样品激光损伤几率曲线，通过相应方法拟合出零损伤几率，计算被测样品的激光损伤阈值。

Claims (4)

1.一种双光束延迟激光损伤测试系统，特征在于其构成包括：由脉冲激光器(1)和激光器控制器(2)组成激光辐照控制单元并产生脉冲激光，沿该脉冲激光方向依次经第一反射镜(4)和第二反射镜(5)到第一分光镜(6)；第一分光镜(6)将脉冲光束分为反射光束和透射光束，所述的反射光束经第三反射镜(7)和第四反射镜(8)到第二分光镜(13)组成标准光路，所述的透射光束经第五反射镜(9)、第六反射镜(10)和第一环形可变中性密度滤波片(12)到第二分光镜(13)组成延迟光路；第五反射镜(9)和第六反射镜(10)固定在电控平移台(11)上，该平移台(11)与电机驱动器(27)相连，电机驱动器(27)与插在主控计算机(30)主板的运动控制卡(28)相连，组成延迟控制单元；所述的第二分光镜(13)将所述的标准光路的激光脉冲和所述的延迟光路的激光脉冲合束为主光束，该主光束依次经过第二环形可变中性密度滤波片(14)、电子快门(15)、第三分光镜(17)、第四分光镜(19)和第一平凸透镜(21)，最终聚焦在三维电控样品台(25)上的待测样品上；所述的电子快门(15)与快门驱动器(16)相连，该快门驱动器(16)与电机驱动器(27)相连组成脉冲控制单元；由所述的第三分光镜(17)分出的反射光依次经第七反射镜(18)和第二平凸透镜(22)聚焦于光束质量分析仪(26)，该光束质量分析仪与所述的主控计算机(30)相连组成光束质量分析单元；经所述的第四分光镜(19)分出的反射光束由能量探测器(20)接收，该能量探测器(20)的输出端与所述的主控计算机(30)的输入端相连组成能量监测单元；高分辨彩色CCD成像装置(23)对准主光束在所述的待测样品的焦点，所述的高分辨彩色CCD成像装置(23)与插在主控计算机(30)主板的图像采集卡(29)相连，组成损伤形貌实时监控单元；白光光源(24)对准所述的三维电控样品台(25)以辅助损伤探测照明；该三维电控样品台(25)与电机驱动器(27)相连组成样品三维运动单元。

2.根据权利要求1所述的光学元件表面激光损伤测试系统，其特征在于所述的脉冲激光器(1)为飞秒、皮秒或纳秒激光脉宽的激光器，激光波长在300nm至1200nm之间均可。

3.根据权利要求1所述的光学元件表面激光损伤测试系统，其特征在于所述的电子快门(15)的曝光时刻、曝光时长和三维电控样品台(25)的运动由计算机编程实现协同控制，在电机运动到指定位置时快门以指定时长开启。

4.根据权利要求1所述的光学元件表面激光损伤测试系统，其特征在于所述的电控平移台(11)以及三维电控样品台(25)均由主控计算机(30)编程控制，通过LabVIEW编写电机运动程序实现电机移动速度、加速度、水平间距、竖直间距、水平点数、竖直点数、水平间隔时间、竖直间隔时间、回程量、位移模式的设置，并实时显示目前打点状态和下一行倒计时。