CN105772937B - 并排放置透明光学元件的激光预处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种并排放置透明光学元件的激光预处理装置和方法，装置构成包括：沿激光传输方向设置的脉冲激光器、能量衰减系统、光开关、透镜系统、分光楔板，还包括激光能量探测器、CCD成像系统、电动移动台、主控计算机以及光学元件；光学元件沿着光束传输方向并排放置于电动移动台上的位置可调整的元件装夹上；主控计算机控制脉冲激光器触发、光开关开启关闭和电机移动台的运动。本发明包括将多块光学元件并排放置，使不同光学元件以不同能量密度的激光同时进行辐照处理，并通过移动并排放置光学元件位置来提高能量密度重复预处理；实现了高效快速的串行预处理方法。

Description

并排放置透明光学元件的激光预处理装置和方法
技术领域
本发明涉及光学元件激光预处理领域，具体涉及一种并排放置透明光学元件的激光预处理方法和装置系统。
背景技术
在高功率激光系统中，通常采用多路光合束的方式获取大能量。因而一类光学元件需要的数量众多，如美国NIF需要192块DKDP混频元件。而光学元件的激光损伤常常是制约相关系统运行水平的关键因素。实践证明，激光预处理技术是提高光学元件抗激光损伤能力的非常有效的方法。该技术采用合适的激光预处理工艺对光学元件进行100％覆盖的辐照处理。目前主要采用小口径、(亚)毫米级尺寸的激光光斑，通过光栅扫描方式均匀地对元件进行辐照。通常扫描过程中光斑间隔不能过大，使得相邻辐照之间有一定的重叠部分，保证全口径扫描。同时，需要采用逐步提升激光能量密度的方式，平缓地提高预处理效果。这两项因素导致小口径光斑预处理存在耗时长的缺点。以处理一个口径0.4米×0.4米的光学元件为例，如果预处理激光器的口径为2mm，重复频率为10Hz，相邻光斑间距为0.64mm，则单次全口径处理需要耗时11个小时。若需要5个逐步抬升的能量密度进行处理，则处理完毕需要费时55个小时。若需要对全部192块光学元件进行处理，则完全处理完毕需要费时10560个小时，耗时相当显著。
现有激光预处理技术中，主要采用逐点扫描方式或利用激光束的多次反射来进行扫描处理光学元件。逐点扫描方式存在耗时长的缺点。利用激光束反射来进行扫描可以提高效率，但该方法不适用于较薄的透明块体元件的激光预处理。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种对并排放置透明光学元件的激光预处理装置及方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种并排放置透明光学元件的激光预处理装置，包括：脉冲激光器、沿该脉冲激光器的激光传输方向依次设置的能量衰减系统、光开关、透镜系统和分光楔板；还包括激光能量探测器、位置可移动的CCD成像系统、主控计算机以及供光学元件放置的电动移动台，所述的主控计算机的输出端分别与所述的脉冲激光器、光开关和电动移动台的控制端相连。
由所述的脉冲激光器发出的激光光束依次经所述的能量衰减系统、光开关、透镜系统射入所述的分光楔板，经该分光楔板的第一反射面分成第一反射光束和第一透射光束，第一反射光束进入激光能量探测器，第一透射光束经分光楔板的第二反射面分成第二反射光束和第二透射光束。第二反射光束进入CCD成像系统，第二透射光束依次进入并排放置的待测的第一光学元件、第二光学元件、……、第N光学元件。
所述的并排放置透明光学元件的激光预处理装置，其特征在于，在所述的电动移动台上设有位置可调整的元件装夹装置，该元件装夹装置包括两条互相平行的导轨和并排放置在该两条导轨之间的元件装夹。
一种并排放置透明光学元件的激光预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.用能量计置于分光楔板后测量第二透射光束能量，并读取能量探测器的能量值，记录第二透射光束能量与第一反射光束能量分光比比值K。
B.将第一光学元件放置于第二透射光束的激光光束束腰位置，利用CCD成像系统测量第一光学元件处有效光斑面积S1；根据步骤A所述的分光比比值K，和激光能量探测器监测的脉冲激光能量E，调节能量衰减系统，使得激光光束以能量密度F1对第一光学元件进行辐照处理，此时入射到第一光学元件的脉冲激光能量E1＝E×K；
C.根据激光光束经过每块光学元件后脉冲激光能量衰减为原来的T倍，此时脉冲激光能量E2＝E1×T，其中T为光学元件透过率。
为使得激光光束以能量密度F2对第二光学元件进行辐照处理，移动CCD成像系统至合适位置，使得此时CCD成像系统处的光斑面积S2满足以能量密度F2辐照处理第二光学元件所需的光斑面积S2，移动第二光学元件位置，使得所述的第二透射光束到第二光学元件的距离等于所述的第二反射光束到CCD成像系统的距离；
依次类推，确定第三光学元件位置，使得激光光束以能量密度F3对第三光学元件进行辐照处理；……；确定第N光学元件位置，使得激光光束以能量密度FN对第N光学元件进行辐照处理；
D.根据激光器重复频率和步骤A所述的第一光学元件处光斑面积S1，调整电动移动台的位移速度；
E.扫描完一遍之后，将第一光学元件取下，依次让第M(M＝2，3，……，N)光学元件移动到原第M-1光学元件位置，并将未处理过的光学元件放置到原第N光学元件位置。如此重复扫描，让光学元件以逐步抬升的激光能量密度FN、FN-1、……、F3、F2、F1进行辐照处理。
本发明的优点：
本发明利用激光光束辐照多个并排放置的光学元件，利用透射光束串行处理光学元件，从而大幅度压缩大量光学元件预处理时间周期，可以高效提升大口径光学元件激光损伤阈值。
附图说明
图1是本发明并排放置透明光学元件的激光预处理装置框图。
图中：1—脉冲激光器，2—能量衰减系统，3—光开关，4—聚焦透镜，5—分光楔板，6—激光能量探测器，7—CCD成像系统，8—电动移动台，9—主控计算机，10—导轨，11—元件装夹，12—光学元件。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1，并排放置透明光学元件的激光预处理装置，包括沿激光光束传输方向的脉冲激光器1、能量衰减系统2、光开关3、透镜系统4、分光楔板5，还包括激光能量探测器6、CCD成像系统7、电动移动台8以及主控计算机9。
所述的脉冲激光器1为Nd:YAG脉冲激光器，透镜系统4的焦距长8m。
所述的主控计算机9经过数据输出卡控制脉冲激光器1的脉冲输出和光开关3的开启和关闭；主控计算机9经过运动控制卡和电机驱动器控制电动移动台8的移动。
在所述的电动移动台8上设有位置可调整的元件装夹装置，该元件装夹装置包括两条互相平行的导轨10和并排放置在该两条导轨10之间的N＝5个元件装夹11。
一种并排放置透明光学元件的激光预处理方法包括以下步骤：
(1)、用能量计置于分光楔板5后测量第二透射光束能量，并读取能量探测器6的能量值，记录第二透射光束能量与第一反射光束能量分光比比值K。
(2)、将第一光学元件放置于第二透射光束的激光光束束腰位置，利用CCD成像系统测量第一光学元件处有效光斑面积S1＝1mm2；根据步骤(1)所述的分光比比值K，和监测的激光能量探测器脉冲激光能量E，调节能量衰减系统2，使得激光光束以能量密度F1＝5J/cm2对第一光学元件进行辐照处理，此时入射到第一光学元件的脉冲激光能量E1＝E×K＝50mJ；
(3)、根据激光光束经过每块光学元件后脉冲激光能量衰减为原来的T＝0.9倍，此时入射到第二光学元件的脉冲激光能量E2＝E1×T＝45mJ，其中T为光学元件透过率。
为使得激光光束以能量密度F2＝4J/cm2对第二光学元件进行辐照处理，移动CCD成像系统至合适位置，使得此时CCD成像系统处的光斑面积S2满足以能量密度F2辐照处理第二光学元件所需的光斑面积S2＝1.125mm2，移动第二光学元件位置，使得所述的第二透射光束到第二光学元件的距离等于所述的第二反射光束到CCD成像系统的距离；
依次类推，确定第三光学元件位置，使得激光光束以能量密度F3＝3J/cm2对第三光学元件进行辐照处理；确定第四光学元件位置，使得激光光束以能量密度F4＝2J/cm2对第三光学元件进行辐照处理；确定第五光学元件位置，使得激光光束以能量密度F5＝1J/cm2对第五光学元件进行辐照处理。
(4)、根据激光器重复频率和步骤(2)所述的第一光学元件处光斑面积S1，调整电动移动台的位移速度；
(5)、扫描完一遍之后，将第一光学元件取下，依次让第二光学元件移动到原第一光学元件位置，让第三光学元件移动到原第二光学元件位置，让第四光学元件移动到原第三光学元件位置，让第五光学元件移动到原第四光学元件位置，并将未处理过的光学元件放置到原第五光学元件位置。如此重复扫描，让光学元件以逐步抬升的激光能量密度F5、F4、F3、F2、F1进行辐照处理。

Claims (1)

1.一种并排放置透明光学元件的激光预处理方法，利用并排放置透明光学元件的激光预处理装置进行，该预处理装置包括：脉冲激光器(1)、沿该脉冲激光器(1)的激光传输方向依次设置的能量衰减系统(2)、光开关(3)、透镜系统(4)和分光楔板(5)，其特征在于还包括激光能量探测器(6)、位置可移动的CCD成像系统(7)、主控计算机(9)以及供光学元件放置的电动移动台(8)，所述的主控计算机(9)的输出端分别与所述的脉冲激光器(1)、光开关(3)和电动移动台(8)的控制端相连；
由所述的脉冲激光器(1)发出的激光光束依次经所述的能量衰减系统(2)、光开关(3)、透镜系统(4)射入所述的分光楔板(5)，经该分光楔板(5)的第一反射面分成第一反射光束和第一透射光束，第一反射光束进入激光能量探测器(6)，第一透射光束经分光楔板(5)的第二反射面分成第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束进入CCD成像系统(7)，第二透射光束依次进入并排放置的待测第一光学元件(12)、第二光学元件、……和第N光学元件；其特征在于，包括以下步骤：
A.用能量计置于分光楔板(5)后测量第二透射光束能量，并读取激光能量探测器(6)的能量值，记录第二透射光束能量与第一反射光束能量分光比比值K；
B.将第一光学元件放置于第二透射光束的激光光束束腰位置，利用CCD成像系统(7)测量第一光学元件处有效光斑面积S1；根据步骤A所述的分光比比值K，和激光能量探测器(6)监测的脉冲激光能量E，调节能量衰减系统(2)，使得激光光束以能量密度F1对第一光学元件进行辐照处理，此时入射到第一光学元件的脉冲激光能量E1＝E×K；
C.根据激光光束经过每块光学元件后脉冲激光能量衰减为原来的T倍，光经过第一光学元件后的脉冲激光能量E2＝E1×T，其中T为光学元件透过率；
为使得激光光束以能量密度F2对第二光学元件进行辐照处理，移动CCD成像系统(7)至合适位置，使得此时CCD成像系统(7)处的光斑面积S2满足以能量密度F2辐照处理第二光学元件所需的光斑面积S2，移动第二光学元件位置，使得所述的第二透射光束到第二光学元件的距离等于所述的第二反射光束到CCD成像系统(7)的距离；
依此类推，确定第三光学元件位置，使得激光光束以能量密度F3对第三光学元件进行辐照处理；……；确定第N光学元件位置，使得激光光束以能量密度FN对第N光学元件进行辐照处理；
D.根据激光器重复频率和步骤B所述的第一光学元件处光斑面积S1，调整电动移动台(8)的位移速度；
E.扫描完一遍之后，将第一光学元件取下，依次让第M光学元件移动到原第M-1光学元件位置，其中M＝2，3，……，N，并将未处理过的光学元件放置到原第N光学元件位置；如此重复扫描，让光学元件以逐步抬升的激光能量密度FN、FN-1、……、F3、F2、F1进行辐照处理。
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