CN104807742A - 一种激光聚焦辐照效应实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光聚焦辐照效应实验装置及方法，装置包括聚焦透镜、效应物固定架、XZ轴方向二维调节机构、Y轴方向电控位移台和视频显微镜，使用显微镜辅助准确定位光斑测量装置表面以及批量效应物样品表面的位置，同时兼顾效应烧蚀痕迹的测量，可以大大减小位置不确定性带来的辐照激光参数的不确定性，提高激光损伤阈值测量、效应规律研究的准确性。

Description

一种激光聚焦辐照效应实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种激光辐照效应实验装置，尤其是一种用于多个效应物样品的聚焦激光辐照实验装置。

背景技术

为研究某些功能材料、光电器件等对象的激光辐照效应和损伤阈值，开展聚焦小光斑激光辐照实验是重要的技术手段，需要进行批量效应物的激光辐照实验，来获取相关规律或参数。

由于透镜聚焦的作用，样品受辐照表面位置的差异会导致辐照的激光光斑大小不同，从而激光参数也不相同，这样会使得激光辐照效应数据有较大的不确定性。为此，需要准确的定位方法，一是要使得同类样品的不同个体在受辐照时的表面位置相同，从而使得批量实验的效应物表面激光光斑参数具有一致性；二是要使得测量光斑参数的表面与效应物样品受辐照的表面位置相同，以使测量的光斑参数能够准确反映实际辐照的光斑参数。

现有的通过直尺、卷尺、游标卡尺等测量激光聚焦透镜和效应物表面之间距离的方法在大批量效应物激光烧蚀试验中应用不便，而且其测量精度差，给激光损伤阈值测量、效应规律研究带来了较大的不确定度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光聚焦辐照效应实验装置，本装置可以大大减小激光聚焦辐照效应物实验条件下放置样品与测量光斑时位置的不确定性带来的辐照激光参数的不确定性，同时可对效应物的激光烧蚀光斑进行准确测量，提高激光损伤阈值测量、效应规律研究的准确性。

本发明的技术方案为：

一种激光聚焦辐照效应实验装置，包括聚焦透镜2、效应物固定架6、XZ轴方向二维调节机构5、Y轴方向电控位移台4和视频显微镜1；效应物固定架6固定在XZ轴方向二维调节机构5上，入射激光3经聚焦透镜2聚焦后沿X轴方向垂直入射至效应物表面，视频显微镜1正对Y轴方向电控位移台设置，其光轴为X轴方向，所述的XZ轴方向二维调节机构5设置在Y轴方向电控位移台4上，并在Y轴方向电控位移台4的带动下，使得效应物在所述视频显微镜1的视场和聚焦光束之间往复移动，并实现效应物烧蚀痕迹的尺度测量。

上述激光聚焦辐照效应实验装置中，效应物为光电器件、光学元件、涂层材料。

上述激光聚焦辐照效应实验装置中，Y轴方向电控位移台4的行程不小于20cm，其分辨率、重复定位精度均小于3μm。

上述激光聚焦辐照效应实验装置中，辐照至效应物的激光光斑尺度为数十微米～数百微米。

上述激光聚焦辐照效应实验装置中，视频显微镜1具有50mm～120mm的工作距离、50～500倍的光学放大倍率和1000×1000的像素分辨率。

上述激光聚焦辐照效应实验装置中，视频显微镜1内置尺寸测量软件，可对视场内物体的尺度进行测量。

一种激光聚焦辐照效应实验的方法，包括以下步骤：

【1】辐照光斑的调试

在效应物固定架上放置测量光斑用的热敏纸等烧蚀测量对象，利用Y轴方向电控位移台和XZ轴方向二维调节机构的Z轴调节，将测量对象置于辐照光路正中心；利用XZ轴方向二维调节机构的X轴调节，改变热敏纸表面相对聚焦透镜焦点的位置，改变对象表面激光光斑的大小；

【2】视频显微镜参数的确定

将经过激光辐照的烧蚀测量对象沿Y轴方向平移至视频显微镜的视场中心，记录平移距离或电机步进的步数，选择合适的倍率后调节显微镜自身的调焦机构，使烧蚀测量对象的变色、烧蚀表面在显微镜中呈清晰的像，并用显微镜中的尺度测量软件测量变色斑、烧蚀斑尺度作为激光光斑的尺度，重复步骤【2】，确定合适的光斑大小后，固定显微镜调焦机构；

【3】效应实验

将测量光斑对象更换为效应物样品，激光辐照后，利用XZ轴方向二维调节机构和Y轴方向电控位移台相配合，将效应物受辐照区域调节至显微镜视场中心，再利用XZ轴方向二维调节机构的X轴调节，使得样品受辐照区域在显微镜视场中心成清晰的像，测量获得效应物上的烧蚀痕迹作为效应物的表征参数；按照前面所记录的平移距离或电机步进步数将Y轴方向电控位移台返回；

【4】批量效应实验

更换下一个样品，重复步骤【3】完成辐照实验。

本发明具有的有益技术效果如下：

一、本发明将中等放大倍率的视频显微镜与较高精度的电控位移台相结合，电控位移台具有高的位置重复精度，能在激光辐照光路与视频显微镜视场中进行精确的位置切换；视频显微镜用于将效应物表面准确定位于其成像焦平面，通过对成像清晰度的判断，确保不同效应物辐照表面定位的准确性，确保激光效应实验数据的有效性，同时视频显微镜还可以并用于烧蚀条件下的辐照激光光斑测量，直接给出效应物在激光辐照下的受损效果表征参数。

二、本发明的激光辐照效应实验装置克服了批量效应物在激光辐照时放置位置不精确带来的辐照激光参数的不确定性，同时可对效应物的激光烧蚀光斑进行准确测量，提高激光损伤阈值测量、效应规律研究的准确性。

三、本发明具有简便、快速的特点，适用于批量效应物的激光辐照实验。

附图说明

图1为本发明装置原理示意图。

图2为XZ轴方向二维调节机构示意图。

图中：1—视频显微镜；2—聚焦透镜；3—入射激光；4—Y轴方向电控位移台；5—XZ轴方向二维调节机构；6—效应物固定架；7—X轴位移部件；8—Z轴位移部件。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的激光聚焦辐照效应实验装置，包括聚焦透镜2、效应物固定架6、XZ轴方向二维调节机构5、Y轴方向电控位移台4和视频显微镜1。效应物固定架6固定在XZ轴方向二维调节机构5上，可随二维调节机构实现XZ轴方向上的位移，XZ轴方向二维调节机构5设置在Y轴方向电控位移台4上可在Y轴方向电控位移台作用下，整体实现Y轴移动，从而确保效应物具备XYZ三维位移调节功能。Y轴方向电控位移台4的行程一般不小于20cm，其分辨率、重复定位精度均小于3μm。

入射激光3经聚焦透镜2聚焦后沿X轴方向垂直入射至效应物表面，视频显微镜1正对Y轴方向电控位移台设置，其光轴为X轴方向。在Y轴方向电控位移台4的带动下，效应物在所述视频显微镜1的视场和聚焦光束之间往复移动，并实现效应物烧蚀痕迹的尺度测量。视频显微镜1具有50mm～120mm的工作距离、50～500倍的光学放大倍率和1000×1000以上的像素分辨率，并自带软件用于视场内物体的尺度参数测量。

本发明的具体效应实验步骤如下：

一、实验准备

将装置按照图1和图2的位置关系布局在激光器附近光学平台上，并使辐照激光沿聚焦透镜的光轴，即X轴方向入射。

二、辐照光斑的调试

选择合适的实验位置并测量光斑。在XZ轴方向二维调节机构5的效应物固定架6上放置测量光斑用的热敏纸等烧蚀测量对象，利用Y轴方向电控位移台4和XZ轴方向二维调节机构5的Z轴调节，可以将测量对象置于辐照光路正中心，利用XZ轴方向二维调节机构的X轴调节，改变热敏纸表面相对聚焦透镜焦点的位置，从而可以改变对象表面激光光斑的大小，使其满足激光效应实验的功率密度、光斑尺度等条件。

将经过激光辐照的烧蚀测量对象沿Y轴方向平移至视频显微镜1视场中心，此时需要记录平移距离或电机步进的步数，选择合适的倍率后调节显微镜自身的调焦机构，使烧蚀测量对象的变色、烧蚀表面在显微镜中呈清晰的像，并用显微镜中的尺度测量软件测量变色斑、烧蚀斑尺度作为激光光斑的尺度，通过来回的激光烧蚀，Y轴方向平移和光斑尺度测量，最终选择获得合适的激光光斑，确定合适的光斑大小后，固定显微镜调焦机构不再改动。

三、效应实验

将测量光斑对象更换为效应物样品，激光辐照后，利用XZ轴方向二维调节机构5的Z轴调节和Y轴方向电控位移台4相配合，将效应物受辐照区域调节至显微镜视场中心，再利用XZ轴方向二维调节机构5的X轴调节，使得样品受辐照区域在显微镜视场中心成清晰的像，测量获得效应物上的烧蚀痕迹作为效应物的表征参数。

最后，利用Y轴方向电控位移台4按照前面所记录的平移距离或电机步进步数返回，即可将样品受辐照表面准确定位到辐照光路中。

四、批量效应实验

更换多个实验样品后，重复步骤三即可完成批量效应物的辐照实验。

本方案适用于具有肉眼可见的平面表面的光电器件、光学元件、涂层材料等效应物对象，通常激光光斑尺度为数十微米～数百微米，本装置和方法可以确保样品受辐照表面位置与测量光斑表面位置、不同样品受辐照表面位置之间的不确定度小于显微镜在所选择倍率下的景深，并具有简单方便、效应实验和痕迹测量同步进行等特点。

Claims (7)

1.一种激光聚焦辐照效应实验装置，其特征在于：包括聚焦透镜(2)、效应物固定架(6)、XZ轴方向二维调节机构(5)、Y轴方向电控位移台(4)和视频显微镜(1)；

所述的效应物固定架(6)固定在XZ轴方向二维调节机构(5)上，入射激光(3)经聚焦透镜(2)聚焦后沿X轴方向垂直入射至效应物表面，所述的视频显微镜(1)正对Y轴方向电控位移台设置，其光轴为X轴方向，所述的XZ轴方向二维调节机构(5)设置在Y轴方向电控位移台(4)上，并在Y轴方向电控位移台(4)的带动下，使得效应物在所述视频显微镜(1)的视场和聚焦光束之间往复移动，并实现效应物烧蚀痕迹的尺度测量。

2.根据权利要求1所述的激光聚焦辐照效应实验装置，其特征在于：所述的效应物为光电器件、光学元件、涂层材料。

3.根据权利要求1所述的激光聚焦辐照效应实验装置，其特征在于：所述的Y轴方向电控位移台(4)的行程不小于20cm，其分辨率、重复定位精度均小于3μm。

4.根据权利要求1所述的激光聚焦辐照效应实验装置，其特征在于：所述的辐照至效应物的激光光斑尺度为数十微米～数百微米。

5.根据权利要求1所述的激光聚焦辐照效应实验装置，其特征在于：所述的视频显微镜(1)具有50mm～120mm的工作距离、50～500倍的光学放大倍率和1000×1000以上的像素分辨率。

6.根据权利要求1所述的激光聚焦辐照效应实验装置，其特征在于：所述的视频显微镜(1)内置尺寸测量软件，可对视场内物体的尺度进行测量。

7.利用权利要求1所述的激光聚焦辐照效应实验装置进行激光聚焦辐照效应实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】辐照光斑的调试

在效应物固定架上放置测量光斑用的热敏纸等烧蚀测量对象，利用Y轴方向电控位移台和XZ轴方向二维调节机构的Z轴调节，将测量对象置于辐照光路正中心；利用XZ轴方向二维调节机构的X轴调节，改变热敏纸表面相对聚焦透镜焦点的位置，改变对象表面激光光斑的大小；

【2】视频显微镜参数的确定

将经过激光辐照的烧蚀测量对象沿Y轴方向平移至视频显微镜的视场中心，记录平移距离或电机步进的步数，选择合适的倍率后调节显微镜自身的调焦机构，使烧蚀测量对象的变色、烧蚀表面在显微镜中呈清晰的像，并用显微镜中的尺度测量软件测量变色斑、烧蚀斑尺度作为激光光斑的尺度，重复步骤【2】，确定合适的光斑大小后，固定显微镜调焦机构；

【3】效应实验

将测量光斑对象更换为效应物样品，激光辐照后，利用XZ轴方向二维调节机构和Y轴方向电控位移台相配合，将效应物受辐照区域调节至显微镜视场中心，再利用XZ轴方向二维调节机构的X轴调节，使得样品受辐照区域在显微镜视场中心成清晰的像，测量获得效应物上的烧蚀痕迹作为效应物的表征参数；按照前面所记录的平移距离或电机步进步数将Y轴方向电控位移台返回；

【4】批量效应实验

更换下一个样品，重复步骤【3】完成辐照实验。