CN104990930A - 光学元件缺陷激光近场调制检测装置及诱导损伤预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学元件缺陷激光近场调制检测装置及诱导损伤预测方法，所述装置构成包括：光纤激光器、光衰减器、光分束器、光纤准直器、第一电动平移台、电动升降台、4个缩束系统、4个面阵CCD、第二电动位移台和计算机。本发明适用于检测各种光学元件激光近场调制及诱导损伤预测，具有成本低、检测速度快、检测图像实时存储、检测结果实时判断等特点。
Description
技术领域
本发明属于光学元件检测领域，特别是光学元件缺陷激光近场调制检测装置及诱导损伤预测方法。它具有成本低、检测速度快、检测图像实时存储、检测结果实时判断等特点。
背景技术
光学元件在生产和使用过程中会存在各种缺陷，例如颗粒污染物、气泡、划痕等，其中一些缺陷调制激光光束的振幅、位相后，激光光束的局部区域会形成高光强调制。在高功率固体激光装置中，激光运行通量接近于元件损伤阈值，这些局部的高光强调制不仅严重破坏光束均匀性，而且极可能诱导元件损伤，因此为了避免缺陷诱导光学元件损伤，需要在光学元件使用前预测其所含缺陷是否会引起高强度调制。
现有的缺陷检测，一般都是通过对光学元件的缺陷进行成像，从而对缺陷的尺寸、数量等进行标定，但并没有针对缺陷调制光束近场的检测。虽然光学元件存在的缺陷数量很多，但大部分缺陷不会对光束局部造成很高的光强调制，并不影响光学元件的使用。若要判断光学元件能否在高功率激光装置中安全使用，需要结合缺陷对激光近场的调制幅度，来预测该光学元件缺陷在高功率激光作用下是否容易诱导损伤。因此，现有的技术需要进一步发展和提高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种光学元件缺陷激光近场调制的检测装置及诱导损伤预测方法。该装置用于检测低功率激光经光学元件缺陷后的近场衍射效应，获得加入待测元件时所测光强相对未加待测元件时所测光强的光强调制倍数，通过光强调制倍数可以预测在高功率激光作用下这些缺陷是否容易引起元件损伤。该装置具有成本低、检测速度快、检测图像实时存储、检测结果实时判断等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学元件缺陷激光近场调制检测装置，其特点在于由光纤激光器、光衰减器、光分束器、光纤准直器、第一电动平移台、电动升降台、缩束系统、面阵CCD、第二电动平移台和计算机构成，沿所述的光纤激光器的输出光束方向依次是所述的光衰减器和光分束器，该光分束器将1束激光分成4束激光，该光分束器出射的4束激光通过光纤经所述的光纤准直器输出；所述的第一电动平移台和电动升降台构成二维平移台，供待测样品设置，所述的第二电动平移台上设置有2×2排布的4个缩束系统和2×2排布的4个面阵CCD，所述的2×2排布的4个面阵CCD一一对应地位于所述的2×2排布的4个缩束系统的像方焦点位置，所述的面阵CCD的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的第一电动平移台、电动升降台和第二电动平移台的控制端相连。
所述的光纤激光器用于提供圆形光束；光衰减器用于对光功率进行衰减；光分束器用于将1束激光分成4束激光；光纤准直器用于将光纤内的传输光变为准直光；光纤用于在光纤激光器、光衰减器、光分束器、光纤准直器之间传导激光。
所述光纤激光器的输出端与所述光衰减器的输入端相连，光衰减器的输出端与所述光分束器的输入端相连，光分束器的4个输出端与所述4个光纤准直器相连，4个光纤准直器构成2×2排布并通过固定件安放于实验台上。
所述的待测光学元件样品固定在由第一电动平移台和电动升降台构成的二维平移台，通过移动所述第一电动平移台和电动升降台以实现元件整个面上的检测。
所述的计算机，用于控制所述第一电动平移台、电动升降台和第二电动平移台的运动方向、运动距离，所述4个光纤准直器出射光束的光轴互相平行并且一一对应与所述4个缩束系统的光轴、4个面阵CCD的采样窗口中心在一条直线上。
所述第二电动平移台的移动方向与所述4束激光的光轴平行，并且带动缩束系统向待测光学元件方向移动最大距离后，能使待测光学元件位于缩束系统的物方焦平面。
利用上述的光学元件缺陷激光近场调制检测装置对光学元件缺陷及诱导损伤的预测方法，其特征在于该方法包括步骤如下：
1)将待测光学元件放置到第一电动平移台上，开启装置后，光纤激光器输出1束激光依次经光衰减器、光分束器、光纤准直器后输出4束激光；
2)通过第一电动平移台和电动升降台带动待测光学元件移出上述4束激光入射位置，使4束激光一一对应入射4个缩束系统和面阵CCD，通过第二电动平移台带动缩束系统和面阵CCD同时移动，面阵CCD采集没有待测光学元件时的光束近场强度I0(x,y,z)随传输距离的变化；
3)通过第一电动平移台和电动升降台将待测光学元件移到光束入射位置，通过第二电动平移台带动缩束系统和面阵CCD移动至待测光学元件的成像面，然后使缩束系统和面阵CCD整体向远离待测光学元件的方向等间距移动适当距离，从而使面阵CCD获得经待测光学元件后的光束近场Ic(x,y,z)随传输距离的变化,计算机同步显示对应图像的最大光强增加倍数max[Ic(x,y,z)/I0(x,y,z)]，并对出现较大光强增加倍数的图像进行储存；
4)通过第一电动平移台和电动升降台带动待测光学元件移至未检测的位置，再重复步骤3)，从而实现待测光学元件整个面上的检测，计算机显示面阵CCD的采集图像，经数据处理并选择性储存图像数据。
本发明的技术效果如下：
由于大尺寸面阵CCD成本较高而小尺寸面阵CCD扫描整个大口径元件的时间长，因而本装置采用4个小尺寸面阵CCD同时扫描模式，使得本装置兼有成本低、扫描速度快的优点。
本装置主要用于检测光学元件缺陷形成的最高光强调制点的强度和位置，而光学元件缺陷产生的最高光强调制点一般都出现在靠近缺陷的位置，然后随传播距离的增加而逐渐衍射掉，所以第二电动平移台的典型移动长度为300mm，满足所需光束近场的检测。
本装置为了加快面阵CCD扫描的速度，可以在采样过程中设置电动平移台II等间距移动并同时保存光强分布数据，后续再对数据进行分析；为了避免较大的数据存储量，也可以设置在第二电动平移台移动过程中实时判断光场中是否存在较强的光强调制，遇到较大的光强调制时立即停止电动平移台的移动，由实验人员进行观察并存储相应的光强数据。
本装置的检测结果可以获得加入待测元件时所测光强相对未加待测元件时所测光强的光强增加倍数，通过光强增加倍数可以判断在高功率激光装置中该光学元件的缺陷是否容易引起损伤。
总之，本发明适用于检测光学元件缺陷在衍射效应下对光束的近场调制，具有低成本、高精度等间距采样、实时显示采样图像、快速判断采样结果等优点。
附图说明
图1是本发明光学元件缺陷激光近场调制检测装置的结构示意图
图2是图1的俯视图
图中：1-光纤激光器、2-光衰减器、3-光分束器、4-光纤准直器、5-第一电动平移台I、6-电动升降台、7-缩束系统、8-面阵CCD、9-第二电动平移台II、10-计算机、11-待测光学元件、12-连接光纤激光器和光衰减器的光纤、13-连接光衰减器和光分束器的光纤、14-连接光分束器和光纤准直器的光纤、15-面阵CCD和计算机的连接线、16-电动平移台II和计算机的连接线、17-电动平移台I和计算机的连接线、18-电动升降台和计算机的连接线。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明做进一步的详细说明，所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不应以此限定本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明光学元件缺陷激光近场调制检测装置的结构示意图。由图1可知，本发明光学元件缺陷激光近场调制检测装置由光纤激光器1、光衰减器2、光分束器3、光纤准直器4、第一电动平移台5、电动升降台6、缩束系统7、面阵CCD 8、第二电动平移台9、计算机10构成。其中光纤激光器1用于为待测光学元件提供光源，其出射端的激光通过光纤12进入光衰减器2；光衰减器2用于对光功率进行衰减，其出射端的激光通过光纤13进入光分束器3；光分束器3用于将1束激光分成4束激光，其出射端的4束激光通过光纤14进入光纤准直器4；光纤准直器4用于将光纤中的传输光转变为准直光；第一电动平移台5和电动升降台6用于带动待测光学元件11在垂直于光束光轴的二维平面内移动；第二电动平移台9用于带动2×2排布的4个缩束系统7和4个面阵CCD 8沿光轴移动；缩束系统7用于将经待测光学元件11后的激光近场成像于面阵CCD8的感光面；面阵CCD 8位于缩束系统7的成像面，用于激光近场强度分布图像的采样，并将图像传输至计算机10。计算机10用于面阵CCD 8所采集图像的显示、存储，并控制第一电动平移台5、电动升降台6、第二电动平移台9的移动。
本装置包含4组基于激光束扫描、缩束系统7成像、面阵CCD 8采样和显示的子系统，这种2×2排布的同步扫描方式加快了光学元件缺陷调制光束现象的检测，可适用于大口径光学元件的检测。
本装置还包含一系列程序控制功能，该程序安装于计算机10上，通过程序控制模块可设定第二电动平移台9的等间距移动距离和速度，第一电动平移台5和电动升降台6的移动位置，相应面阵CCD 8的采样频率。
本装置还包含7根连接线，其中4根连接线15连接所述4个面阵CCD 8和计算机10，程序控制模块通过连接线15向面阵CCD8发送控制指令，面阵CCD 8获得的采样图像通过连接线15传输到计算机10显示和储存；1根连接线16连接所述第二电动平移台9和计算机10，程序控制模块通过连接线16向第二电动平移台9发送控制指令；1根连接线17连接所述第一电动平移台5和计算机10，程序控制模块通过连接线17向第一电动平移台5发送控制指令；1根连接线18连接所述电动升降台6和计算机10，程序控制模块通过连接线18向电动升降台6发送控制指令。
基于上述光学元件缺陷激光近场调制的检测装置，本发明还提供一种采用该检测装置对光学元件缺陷诱导损伤的预测方法，步骤如下：
1)将待测光学元件11放置到第一电动平移台5上，开启装置后，光纤激光器1输出1束激光依次经光衰减器2、光分束器3、光纤准直器4后输出4束激光；
2)通过第一电动平移台5和电动升降台6带动待测光学元件11移出上述4束激光入射位置，使4束激光一一对应入射4个缩束系统7和面阵CCD8，通过第二电动平移台9带动缩束系统7和面阵CCD 8同时移动，面阵CCD 8采集没有待测光学元件11时的光束近场强度I0(x,y,z)随传输距离的变化；
3)将待测光学元件11移到光束入射位置，通过第二电动平移台9带动缩束系统7和面阵CCD 8移动至待测光学元件11的成像面，然后使缩束系统7和面阵CCD8整体向远离待测光学元件11的方向等间距移动适当距离，从而使面阵CCD 8获得经待测光学元件11后的光束近场Ic(x,y,z)随传输距离的变化,计算机10同步显示对应图像的最大光强增加倍数max[Ic(x,y,z)/I0(x,y,z)]，并对出现较大光强增加倍数的图像进行储存；
4)通过第一电动平移台5和电动升降台6带动待测光学元件11移至未检测的位置，再重复步骤3)，从而实现待测光学元件11整个面上的检测，计算机10显示面阵CCD8的采集图像，并选择性储存图像数据。
本装置操作步骤简单：开启装置后，将待测光学元件11放置到第一电动平移台5上，然后在程序控制模块中输入第一电动平移台5、电动升降台6、第二电动平移台9、4个面阵CCD 8的控制指令便可以实现待测光学元件11缺陷调制光束近场的全面检测，同时计算机10显示面阵CCD8的采集图像并选择性储存图像数据。
实验表明，本发明适用于检测各种光学元件激光近场调制及诱导损伤预测，具有成本低、检测速度快、检测图像实时存储、检测结果实时判断等特点。
Claims (2)
1.一种光学元件缺陷激光近场调制检测装置，其特征在于由光纤激光器(1)、光衰减器(2)、光分束器(3)、光纤准直器(4)、第一电动平移台(5)、电动升降台(6)、缩束系统(7)、面阵CCD(8)、第二电动平移台(9)和计算机(10)构成，沿所述的光纤激光器(1)的输出光束方向依次是所述的光衰减器(2)和光分束器(3)，该光分束器(3)将1束激光分成4束激光，该光分束器(3)出射的4束激光通过光纤进入所述的光纤准直器(4)；所述的第一电动平移台(5)和电动升降台(6)构成二维平移台，供待测样品设置，所述的第二电动平移台(9)上设置有2×2排布的4个缩束系统(7)和2×2排布的4个面阵CCD(8)，所述的2×2排布的4个面阵CCD(8)一一对应地位于所述的2×2排布的4个缩束系统(7)的像方焦点位置，所述的面阵CCD(8)的输出端与所述的计算机(10)的输入端相连，所述的计算机(10)的输出端与所述的第一电动平移台(5)、电动升降台(6)和第二电动平移台(9)的控制端相连。
2.利用权利要求1所述的光学元件缺陷激光近场调制检测装置对光学元件缺陷诱导损伤的预测方法，其特征在于该方法包括步骤如下：
1)将待测光学元件(11)放置到第一电动平移台(5)上，开启装置后，光纤激光器(1)输出1束激光依次经光衰减器(2)、光分束器(3)、光纤准直器(4)后输出4束激光；
2)通过第一电动平移台(5)和电动升降台(6)带动待测光学元件11移出上述4束激光入射位置，使4束激光一一对应入射4个缩束系统(7)和面阵CCD(8)，通过第二电动平移台(9)带动缩束系统(7)和面阵CCD(8)同时移动，面阵CCD(8)采集没有待测光学元件(11)时的光束近场强度I0(x,y,z)随传输距离的变化；
3)通过第一电动平移台(5)和电动升降台(6)将待测光学元件(11)移到光束入射位置，通过第二电动平移台(9)带动缩束系统(7)和面阵CCD(8)移动至待测光学元件(11)的成像面，然后使缩束系统(7)和面阵CCD(8)整体向远离待测光学元件(11)的方向等间距移动适当距离，从而使面阵CCD(8)获得经待测光学元件(11)后的光束近场Ic(x,y,z)随传输距离的变化,计算机(10)同步显示对应图像的最大光强增加倍数max[Ic(x,y,z)/I0(x,y,z)]，并对出现较大光强增加倍数的图像进行储存；
4)通过第一电动平移台(5)和电动升降台(6)带动待测光学元件(11)移至未检测的位置，再重复步骤3)，从而实现待测光学元件(11)整个面上的检测，计算机(10)显示面阵CCD(8)的采集图像，经数据处理并选择性储存图像数据。
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