CN105424712A - 一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，该方法包括以下步骤：①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、精确度高等优点。

Description

一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法

技术领域

本发明涉及透射型光学元件领域，尤其是涉及一种对透射型光学元件表面初始损伤特征的诊断和检测技术。

背景技术

透射元件在激光加工、激光武器以及高功率激光系统等领域有着广泛的应用，是光学系统中必不可少的基本元件。由脆性材料熔石英研磨、抛光而成的透射元件，在其制备过程中不可避免地会引入表面和亚表面缺陷，成为激光破坏的主要诱因和元件使用寿命的短板，其损伤阈值大大低于本体材料。特别是当透射元件在强激光辐照下发生激光损伤时，透射元件表面受强烈的热力作用，将会形成材料蒸发、断裂和粒子喷射等行为。研究粒子的尺寸、喷射方向、喷射速度等信息，是损伤动力学研究的重要范畴之一，将会有助于理解激光损伤的发生过程、阐明纳秒脉冲激光的损伤机理。

材料在损伤后发生粒子喷射的现象，一般出现在激光辐照后的几十纳秒，并将持续至微秒或更长的时间尺度。然而，初始的几十至几百纳秒阶段，伴随等离子体闪光和大块材料剥落等现象，粒子的喷射行为不容易捕获。此外，由于粒子的飞行速度在0.1-10微米/纳秒范围左右，需要采用快速成像的方式获得近似瞬态的粒子图像，否则粒子的飞行轨迹将形成严重的拖影甚至无法获得。

基于泵浦探测成像技术能够研究激光损伤初期材料的喷射行为，为获得粒子的瞬态特征，许多研究选用泵浦光为纳秒脉冲激光，探测光为飞秒脉冲激光，但飞秒激光器造价昂贵，且该方法需要两台激光器和同步触发装置，成本高且对硬件要求苛刻。若采用纳秒脉冲激光作为探测光，高速运动的粒子在曝光时间内将飞行一段距离而形成拖影，就会影响测量精度。此外，在粒子速度的计算中，通常获取两幅存在时间延迟的图像，比较粒子在不同图像中位置的差异从而计算出飞行速度，然而，不同曝光条件的差异(P偏振态光和S偏振态光)、粒子飞行中在不同空间位置的变化都会降低最终的成像质量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精确度高的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，该方法包括以下步骤：

①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；

②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；

③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。

所述双探测光单相机成像系统包括一纳秒脉冲激光器、一1064nm波长透射、532nm波长反射的反射镜、一半透半反镜、三宽角度反射镜和一长工作距离显微镜，该双探测光单相机成像系统工作时，纳秒脉冲激光器同时输出泵浦光、第一束探测光和第二束探测光，所述泵浦光经反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第一束探测光依次经反射镜、半透半反镜、一宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第二束探测光依次经反射镜、半透半反镜、另两宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，长工作距离显微镜采用暗场照明方式获取经照射后的透射型光学基板的图像。

所述步骤②具体为：

11)纳秒脉冲激光器同时输出泵浦光、第一束探测光和第二束探测光，所述泵浦光为脉宽T₀为10ns的1064nm激光，所述第一束探测光和第二束探测光均为脉宽T₀₀为8.5ns的532nm激光，第一束探测光和第二束探测光同为P偏振态光；

12)通过调节第一束探测光和第二束探测光到达透射型光学基板的空间距离，调节第一束探测光相对于泵浦光的时间延迟，以及两束探测光之间的时间延迟；

13)从低能量开始，逐步增加泵浦光激光能量，直至透射型光学基板发生损伤；

14)长工作距离显微镜采用暗场照明方式获取经照射后的透射型光学基板的图像，两束探测光的图像均由同一个长工作距离显微镜捕获，获得的两幅图像叠加在一起，从而获得喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像。

所述步骤12)中，空间距离与时间延迟的关系为：空间距离每增加30cm为1ns的时间延迟。

所述步骤12)中，调节第一束探测光相对于泵浦光的时间延迟T₁为100-150ns，调节两束探测光之间的时间延迟T₂为8.5ns。

所述步骤14)中，长工作距离显微镜采用图像触发模式进行拍照：当透射型光学基板损伤时，暗场图像中喷射粒子和等离子体图像的灰度值大于触发阈值，长工作距离显微镜拍照，所述触发阈值为1024。

所述第一束探测光和第二束探测光的入射角度的差异不超过±5°。

所述步骤③具体为：

21)在图像中，获得某个喷射粒子i₁在第一束探测光下捕获的图像，采用图像处理技术依据直线飞行中的拖影效应，获取在脉宽T₀₀＝8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(x_i1’，y_i1’)、中心位置(x_i1，y_i1)、前端边缘中心位置(x_i1”，y_i1”)、喷射角度θ_i、在喷射方向上的长度R_i1与喷射方向垂直方向上的宽度d_i1；

22)在喷射角度θ_i上寻找另一喷射粒子i₂，该喷射粒子i₂即喷射粒子i₁在第二束探测光下的图像，获取在脉宽T₀₀＝8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(x_i2’，y_i2’)、中心位置(x_i2，y_i2)、前端边缘中心位置(x_i2”，y_i2”)、在喷射方向上的长度R_i2与喷射方向垂直方向上的宽度d_i2；

23)在喷射角度θ_i上，根据喷射粒子i₁的前端边缘中心位置(x_i1”，y_i1”)和喷射粒子i₂的后端边缘中心位置(x_i2’，y_i2’)，计算出无探测光区域在喷射方向上的长度R_i12：

R_i12 ²＝(x_i1”-x_i2’)²+(y_i1”-y_i2’)²；

24)计算喷射粒子在不同曝光时间下的平均飞行速度：

v_i1＝(R_i1+R_i12)/(T₀₀+T₂)，v_i2＝(R_i2+R_i12)/(T₀₀+T₂)；

25)计算喷射粒子在不同曝光时间下、在喷射角度θ_i上的等效长度和等效直径：

d_θ1＝(R_i1-R_i12)/2，d_θ2＝(R_i2-R_i12)/2

r_i1 ²＝d_i1 ²+d_θ ²，r_i2 ²＝d_i2 ²+d_θ ²

其中，d_θ1、d_θ2为等效长度，r_i1、r_i2为等效直径；

26)比较v_i1和v_i2，判断同一粒子在不同时间下的速度是否发生变化；比较d_i1和d_i2、d_θ1和d_θ2，判断同一粒子在飞行中是否发生翻转。

所述图像处理技术利用图像最小可识别灰度获得喷射粒子的长度和位置信息，所述图像最小可识别灰度的值g_iL为粒子最大灰度值g_iH的50％。

所述透射型光学基板为熔石英基板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明基于泵浦探测技术，通过建立双探测光单相机成像系统，调节两束探测光的时间间隔，获得同一位置在不同时间的耦合曝光图像，图像获取方便可靠；

(2)利用与激光脉宽半高全宽相对应的图像最小可识别灰度，获得颗粒的长度和位置信息，依据不同曝光时间下颗粒的前后端位置信息，消除拖影效应中粒子的尺寸影响，计算出的喷射方向、喷射速度和等效尺寸更为精确；

(3)本发明在纳秒探测光成像中减小了拖影效应、散射光差异和位置变化的影响，由此获得更为准确的特征信息。

附图说明

图1为本发明双探测光单相机成像系统的结构示意图；

图2为本发明双光束成像粒子喷射行为示意图。

图1中，1为纳秒脉冲激光器，2为反射镜，3为半透半反镜，4、5、6均为宽角度反射镜，7为熔石英基板，8为长工作距离显微镜，9为泵浦光，10为第一束探测光，11为第二束探测光；

图2为，a为熔石英基板界面，b为等离子闪光强区，c为第一束探测光拍摄的喷射粒子，d为第二束探测光拍摄的喷射粒子，其中喷射粒子c和d为同一粒子。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，本实施例中，透射型光学基板为熔石英基板7，所述诊断方法包括以下步骤：

①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统。

如图1所示，双探测光单相机成像系统包括一纳秒脉冲激光器1、一1064nm波长透射、532nm波长反射的反射镜2、一半透半反镜3、三宽角度反射镜4、5、6和一长工作距离显微镜8，该双探测光单相机成像系统工作时，纳秒脉冲激光器1同时输出泵浦光9、第一束探测光10和第二束探测光11，泵浦光9经反射镜2后照射在熔石英基板7上，第一束探测光10依次经反射镜2、半透半反镜3、宽角度反射镜4后照射在熔石英基板7上，第二束探测光11依次经反射镜2、半透半反镜3、宽角度反射镜5、6后照射在熔石英基板7上，长工作距离显微镜8采用暗场照明方式获取经照射后的熔石英基板的图像，长工作距离显微镜8的放大倍数不小于30倍。

②根据双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像，具体为：

11)纳秒脉冲激光器1同时输出泵浦光9、第一束探测光10和第二束探测光11，泵浦光9为脉宽T₀为10ns的1064nm激光，第一束探测光10和第二束探测光11均为脉宽T₀₀为8.5ns的532nm激光，第一束探测光10和第二束探测光11同为P偏振态光,第一束探测光10和第二束探测光11的入射角度的差异不超过±5°；

12)通过调节第一束探测光10和第二束探测光11到达熔石英基板7的空间距离，调节第一束探测光10相对于泵浦光9的时间延迟，以及两束探测光之间的时间延迟，空间距离与时间延迟的关系为：空间距离每增加30cm为1ns的时间延迟；

调节第一束探测光10相对于泵浦光9的时间延迟T₁为100-150ns，本实施例中，T₁为130ns，调节两束探测光之间的时间延迟T₂为8.5ns；

13)从低能量开始，如从20J/cm²能量密度开始，逐步增加泵浦光9激光能量，直至熔石英基板7发生损伤，并立即停止；

14)长工作距离显微镜8采用暗场照明方式获取经照射后的熔石英基板的图像，两束探测光的图像均由同一个长工作距离显微镜8捕获，获得的两幅图像叠加在一起，从而获得喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像,粒子由于快速飞行，在两束探测光曝光时间内将出现在不同位置。长工作距离显微镜8采用图像触发模式进行拍照：当熔石英基板7损伤时，暗场图像中喷射粒子和等离子体图像的灰度值大于触发阈值，长工作距离显微镜8拍照，触发阈值为1024。

③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸,具体为：

21)在图2中，自熔石英基板界面a至图像边界的1/3起，获得该区域喷射粒子c在第一束探测光10下捕获的图像，采用图像处理技术依据直线飞行中的拖影效应，获取在脉宽T₀₀＝8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(x_i1’，y_i1’)、中心位置(x_i1，y_i1)、前端边缘中心位置(x_i1”，y_i1”)、喷射角度θ_i、在喷射方向上的长度R_i1与喷射方向垂直方向上的宽度d_i1，其中θ_i和R_i1由后端边缘中心位置和前端边缘中心位置计算得到；

22)在喷射角度θ_i上寻找另一喷射粒子d，该喷射粒子d即喷射粒子c在第二束探测光11下的图像，获取在脉宽T₀₀＝8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(x_i2’，y_i2’)、中心位置(x_i2，y_i2)、前端边缘中心位置(x_i2”，y_i2”)、在喷射方向上的长度R_i2与喷射方向垂直方向上的宽度d_i2，其中R_i2由后端边缘中心位置和前端边缘中心位置计算得到；

23)在喷射角度θ_i上，根据喷射粒子i₁的前端边缘中心位置(x_i1”，y_i1”)和喷射粒子i₂的后端边缘中心位置(x_i2’，y_i2’)，计算出无探测光区域在喷射方向上的长度R_i12：

R_i12 ²＝(x_i1”-x_i2’)²+(y_i1”-y_i2’)²；

24)计算同一喷射粒子在不同曝光时间下的平均飞行速度：

v_i1＝(R_i1+R_i12)/(T₀₀+T₂)，v_i2＝(R_i2+R_i12)/(T₀₀+T₂)；

25)计算同一喷射粒子在不同曝光时间下、在喷射角度θ_i上的等效长度和等效直径：

d_θ1＝(R_i1-R_i12)/2，d_θ2＝(R_i2-R_i12)/2

r_i1 ²＝d_i1 ²+d_θ ²，r_i2 ²＝d_i2 ²+d_θ ²

其中，d_θ1、d_θ2为等效长度，r_i1、r_i2为等效直径；

26)比较v_i1和v_i2，判断同一粒子在不同时间下的速度是否发生变化，若v_i1＝v_i2，同一粒子在不同曝光时间下的速度相等，若两速度不同，同一粒子在不同曝光时间内的速度发生改变；比较d_i1和d_i2、d_θ1和d_θ2，判断同一粒子在飞行中是否发生翻转。

采用图像处理技术进行喷射粒子c和喷射粒子d的图像信息提取时，利用图像最小可识别灰度获得喷射粒子的长度和位置信息，两个粒子采用不同的图像识别灰度，其中，其中喷射粒子c最小可识别灰度值g_iL1为粒子灰度值最强处g_iH1的50％，喷射粒子d最小可识别灰度值g_iL2为粒子灰度值最强处g_iH2的50％。50％是根据激光脉宽T₀₀是由激光峰值能量的半高全宽决定；不同粒子设定不同的最小可识别灰度值，将减少每个粒子因光照条件和空间位置不同而在暗场下导致散射光强度的差异。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；

②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；

③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。

2.根据权利要求1所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述双探测光单相机成像系统包括一纳秒脉冲激光器、一1064nm波长透射、532nm波长反射的反射镜、一半透半反镜、三宽角度反射镜和一长工作距离显微镜，该双探测光单相机成像系统工作时，纳秒脉冲激光器同时输出泵浦光、第一束探测光和第二束探测光，所述泵浦光经反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第一束探测光依次经反射镜、半透半反镜、一宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第二束探测光依次经反射镜、半透半反镜、另两宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，长工作距离显微镜采用暗场照明方式获取经照射后的透射型光学基板的图像。

3.根据权利要求2所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述步骤②具体为：

11)纳秒脉冲激光器同时输出泵浦光、第一束探测光和第二束探测光，所述泵浦光为脉宽T₀为10ns的1064nm激光，所述第一束探测光和第二束探测光均为脉宽T₀₀为8.5ns的532nm激光，第一束探测光和第二束探测光同为P偏振态光；

12)通过调节第一束探测光和第二束探测光到达透射型光学基板的空间距离，调节第一束探测光相对于泵浦光的时间延迟，以及两束探测光之间的时间延迟；

13)从低能量开始，逐步增加泵浦光激光能量，直至透射型光学基板发生损伤；

14)长工作距离显微镜采用暗场照明方式获取经照射后的透射型光学基板的图像，两束探测光的图像均由同一个长工作距离显微镜捕获，获得的两幅图像叠加在一起，从而获得喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像。

4.根据权利要求3所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述步骤12)中，空间距离与时间延迟的关系为：空间距离每增加30cm为1ns的时间延迟。

5.根据权利要求3所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述步骤12)中，调节第一束探测光相对于泵浦光的时间延迟T₁为100-150ns，调节两束探测光之间的时间延迟T₂为8.5ns。

6.根据权利要求3所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述步骤14)中，长工作距离显微镜采用图像触发模式进行拍照：当透射型光学基板损伤时，暗场图像中喷射粒子和等离子体图像的灰度值大于触发阈值，长工作距离显微镜拍照，所述触发阈值为1024。

7.根据权利要求3所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述第一束探测光和第二束探测光的入射角度的差异不超过±5°。

8.根据权利要求3所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述步骤③具体为：

21)在图像中，获得某个喷射粒子i₁在第一束探测光下捕获的图像，采用图像处理技术依据直线飞行中的拖影效应，获取在脉宽T₀₀＝8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(x_i1’，y_i1’)、中心位置(x_i1，y_i1)、前端边缘中心位置(x_i1”，y_i1”)、喷射角度θ_i、在喷射方向上的长度R_i1与喷射方向垂直方向上的宽度d_i1；

22)在喷射角度θ_i上寻找另一喷射粒子i₂，该喷射粒子i₂即喷射粒子i₁在第二束探测光下的图像，采用图像处理技术获取在脉宽T₀₀＝8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(x_i2’，y_i2’)、中心位置(x_i2，y_i2)、前端边缘中心位置(x_i2”，y_i2”)、在喷射方向上的长度R_i2与喷射方向垂直方向上的宽度d_i2；

23)在喷射角度θ_i上，根据喷射粒子i₁的前端边缘中心位置(x_i1”，y_i1”)和喷射粒子i₂的后端边缘中心位置(x_i2’，y_i2’)，计算出无探测光区域在喷射方向上的长度R_i12：

R_i12 ²＝(x_i1”-x_i2’)²+(y_i1”-y_i2’)²；

24)计算喷射粒子在不同曝光时间下的平均飞行速度：

v_i1＝(R_i1+R_i12)/(T₀₀+T₂)，v_i2＝(R_i2+R_i12)/(T₀₀+T₂)；

25)计算喷射粒子在不同曝光时间下、在喷射角度θ_i上的等效长度和等效直径：

d_θ1＝(R_i1-R_i12)/2，d_θ2＝(R_i2-R_i12)/2

r_i1 ²＝d_i1 ²+d_θ ²，r_i2 ²＝d_i2 ²+d_θ ²

其中，d_θ1、d_θ2为等效长度，r_i1、r_i2为等效直径；

26)比较v_i1和v_i2，判断同一粒子在不同时间下的速度是否发生变化；比较d_i1和d_i2、d_θ1和d_θ2，判断同一粒子在飞行中是否发生翻转。

9.根据权利要求8所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述图像处理技术利用图像最小可识别灰度获得喷射粒子的长度和位置信息，所述图像最小可识别灰度的值g_iL为粒子最大灰度值g_iH的50％。

10.根据权利要求1所述的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，其特征在于，所述透射型光学基板为熔石英基板。