CN105842248A - 一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法 - Google Patents

一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法，涉及光学检测领域，包括按光路依次放置的激光器、液晶光阀、光束分束器、透镜一、测试样品、吸收陷阱、直视CCD、反射镜、能量卡计、透镜二和监视CCD，本发明的损伤阈值测试方法为通过建立液晶光阀与光斑近场的映射关系获得传递函数，将光斑中损伤点的坐标带入传递函数确定液晶光阀遮挡区域，当遮挡区域覆盖损伤点后计算局部通量，提高损伤阈值的计算精度。

Description

一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法。
背景技术
目前光学元件激光损伤阈值检测，主要是测试光学元件表面缺陷在强激光辐照下引起光学元件表面发生的不可逆的破坏，光学元件表面缺陷主要是指由磨削等加工过程引入的结构性缺陷和残留的杂质元素，激光辐照时会引起光学元件表面损伤，损伤阈值检测主要就是检测缺陷引起的损伤阈值。
然而，现有损伤阈值测试方法通常计算激光光斑内的平均通量作为损伤阈值，由于激光光斑强区分布的差异、元件表面缺陷种类和分布、测试激光光斑口径选取等原因，引起光学元件实际损伤的局部区域通量并不等于整个激光光斑的平均通量，造成测试结果的系统性误差，损伤阈值测试结果有较大波动。
2011国际标准化委员会重新修订损伤阈值测试方法，新编写的ISO 21254增加了损伤阈值测试基本原则，修改后的标准旨在提高损伤阈值的检测精度，同时更新了元件损伤判定的依据和探测方法，其中ISO 21254-3规定了损伤阈值的计算方法，主要目的是规范参数计算以便不同测试条件下、不同测试设备获得的损伤阈值能够相互比较。但是，该测试方法仍不能准确描述缺陷的损伤阈值，存在的不足主要表现在：
1.元件表面初始损伤点尺度通常为10μm～50μm，测试光斑面积通常为毫米量级，远远大于损伤点面积，计算整个光斑的平均通量造成准确度下降。
2.损伤阈值测试中使用的激光光斑通常为高斯光斑和平顶光斑，其中高斯光斑的强度分布为中间强两边弱，而平顶光斑强度分布也不均匀，两种光斑的平均通量和峰值通量都有很大差异，造成测试结果不准确。
3.光学元件表面损伤的直接原因是缺陷周围局部通量超过了缺陷的损伤阈值，在激光辐照下缺陷发生损伤形成损伤点，而激光光斑的其他区域的并未引起损伤，全部计算整个光斑的光强降低了与损伤的相关性。
4.不同种类缺陷的损伤阈值并不相同，现有的损伤测试技术不能避免低阈值缺陷在高通量激光辐照损伤的情况，测试的损伤阈值结果表示缺陷的损伤阈值不高于测试时的激光通量。测试结果和缺陷真实的损伤阈值有一定的偏差造成测试结果不准确。
是故，现有损伤阈值检测系统和测试方法很难保证光学元件损伤阈值测试的精度和准确性，急需发明一种更为精确表征光学元件损伤时的测试方法和测试系统，准确反映光学元件损伤发生时所承受的激光通量，提高损伤阈值测试精度，实现对光学元件表面缺陷局部区域损伤阈值的精确测试，其结果对于评估光学元件质量具有重要的意义。
发明内容
为了克服上述技术不足，本发明提供一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种光学元件表面损伤阈值测试系统，包括按光路依次放置的激光器、液晶光阀、光束分束器、透镜一、测试样品、吸收陷阱、直视CCD、反射镜、能量卡计、透镜二和监视CCD，由激光器发出的激光束，经液晶光阀整形后到达光束分束器，光束分束器透射方向的激光经过透镜一汇聚到测试样品表面，经过测试样品的激光经过吸收陷阱到达直视CCD，光束分束器反射方向的激光经过反光镜，反光镜反射方向的激光到达透镜二最后汇聚到监视CCD，反光镜透视方向的激光到达能量卡计。
进一步地，所述激光器发出激光波长为1053nm、527nm或351nm，脉冲宽度可调整范围为0.2ns～20ns，所述激光器输出能量调整范围为2J～100J。
进一步地，所述透镜一和透镜二对激光束进行聚焦，所述光束分束器按1000∶1的比例将小能量的激光导入激光测试分析单元进行能量光束分析。
进一步地，所述的监视CCD和直视CCD位于光学共轭位置。
进一步地，在测试样品和直视CCD之间设置有吸收陷阱，所述的吸收陷阱为中性密度吸收滤光片和陶瓷挡光片组成的激光能量吸收装置。
进一步地，其特征在于，所述分束器透过激光经由所述透镜在待测样品的表面汇聚激光进入所述直视CCD进行光斑近场测试，所述分束器反射的激光经由反射镜反射至所述透镜汇聚至监视CCD进行激光光束近场分析；
测试步骤如下：
步骤1)：建立液晶光阀-靶面坐标关系，计算传输函数；
步骤2)：采集损伤点在直视CCD中的坐标信息，利用传输函数计算出液晶光阀上位置信息，
步骤3)：获得在监视CCD上的位置信息，选取一定像素矩阵利用监视CCD采集的光斑近场分布计算局部的通量。
进一步地，激光束的光斑直径典型值为10mm～12mm，光斑为平顶分布的光斑。
进一步地，液晶光阀-靶面激光传输关系的计算方法：
为了实现损伤点和局部通量的映射，建立损伤点位置和近场图像局部通量的映
射关系，首先需要确定液晶光阀到直视CCD的传输函数，激光经过光学元件
传输图像会产生膨胀、旋转、平移变换，根据变换形式建立传递函数的数学模
型，如下所示：
Xa＝AXb+BYb+C
Ya＝DXb+EYb+F
在液晶光阀上设置三个亮点坐标(Xa1,Ya1)，(Xa2,Ya2)，(Xa3,Ya3)经过激光传输后在直视CCD上获得亮点坐标为(Xb1,Yb1)，(Xb2,Yb2)，(Xb3,Yb3)带入方程计算传递函数系数，A，B，C，D，E，F；
其中：
A = ( x a 1 - x a 2 ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( x a 2 - x a 3 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( x b 2 - x b 3 ) ( y b 1 - y b 2 )
B = ( x a 1 - x a 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( x a 2 - x a 3 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( y b 2 - y b 3 ) ( x b 1 - x b 2 )
C = ( x a 1 x b 2 - x b 1 x a 2 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( x a 2 x b 3 - x b 2 x a 3 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 ) ( x b 2 - x b 1 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( x b 3 - x b 2 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 )
D = ( y a 1 - y a 2 ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( y a 2 - y a 3 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( x b 2 - x b 3 ) ( y b 1 - y b 2 )
E = ( y a 1 - y a 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( y a 2 - y a 3 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( y b 2 - y b 3 ) ( x b 1 - x b 2 )
F = ( y a 1 x b 2 - x b 1 y a 2 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( y a 2 x b 3 - x b 2 y a 3 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 ) ( x b 2 - x b 1 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( x b 3 - x b 2 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 )
方程系数矩阵可用如下方程表示：
A B D E + C F
通过计算获得的传输函数能够利用液晶光阀实现监视CCD和直视CCD近场图像的坐标对应。
进一步地，局部通量的计算公式为：
F t h = Σ ( p i x e l v a l u e ) p i x e l a e a
进一步地，监视CCD和直视CCD选取分辨率相同的CCD。
系统中主要部分的功能说明：
激光器：产生激光用于光学元件损伤检测。
液晶光阀：为激光器中一个部件，用于激光光斑近场整形，同时用于损伤映射方法中的坐标调整，其坐标系用(Xa,Ya)表示
光束分束器：激光光斑取样测量
透镜：汇聚主激光至元件表面进行损伤测试
测试样品：待测试光学元件
吸收陷阱：吸收主光路激光能量
直视CCD：采集激光光斑近场图像，图像中包含损伤点在近场中的位置信息，其坐标用(Xb,Yb)表示
反射镜：反射激光，改变激光传输方向
能量卡计：激光能量测试
透镜：汇聚取样激光至监视CCD测试激光近场图像
监视CCD：采集损伤测试时激光光斑近场图像，其坐标系用(Xc,Yc)表示。
其中监视CCD和直视CCD位于光学共轭位置，根据光学传输理论近场分布完全相同其坐标关系满足下列方程：
Xb＝Xc
Yb＝Yc。
测试原理：在现有损伤阈值测试方法(R-on-1测试方法或1-on-1测试方法)上加入光斑近场映射技术，具体是利用在线显微成像系统观察元件表面是否发生损伤，直到元件表面观察到损伤点，通过监视CCD采集损伤发生的激光束近场分布，撤去吸收陷阱，调整激光器输出低能量在直视CCD上采集激光束近场分布图像，近场分布图像中包含损伤点在光斑中的位置信息，利用位置信息根据传输函数计算在监视CCD上的坐标，以该坐标为中心在监视CCD采集损伤时的近场图像选取合适的区域计算通量，计算区域根据损伤点的尺寸确定，通量计算依据监视CCD采集的近场图像灰度值，完成损伤阈值的计算，获得损伤点局部区域的通量即为该缺陷的损伤阈值。
本发明的有益效果如下：
1)、提高损伤阈值测试精度。本发明以光斑映射方法为基础，在满足国际损伤阈值测试标准的前提下，有效地克服了缺陷在元件表面随机分布，激光束近场分布，不同种类缺陷对损伤阈值检测结果的影响，可以计算光斑内任意位置出现损伤点的局部通量。损伤阈值和缺陷密切相关，具有较高的检测精度，测试结果有较高的置信度。
2)、方法适用性强。本发明可同时实现1-on-1和R-on-1以及Raster scan测试模式下的激光损伤阈值检测，并且通过液晶-靶面光斑映射技术计算缺陷的损伤阈值，既可用于对不同材料的激光损伤性能分析，还可用于精密抛光的光学元件表面缺陷的分类表征。此外，本发明的待测样品种类包含各类光学元件、各类介质膜元件、晶体类元件。
3)、便于开发应用。本发明的使用的测试系统均具备较高的技术成熟度，可实现自动化控制，因此可方便实现仪器化，对于光学元件检测应用有重要意义。4)、损伤测试方法有很强的通用性，能够适应不同的损伤阈值测试方法，同时提高损伤阈值的计算精度，对于光学元件表面缺陷的表征和分类有重要的作用。
附图说明
图1是光学元件表面损伤阈值测试系统的测试方法的流程；
图2是光学元件表面损伤阈值测试系统的结构示意图；
附图标记：1-激光器，2-液晶光阀，3-光束分束器，4-透镜一，5-测试样品，6-吸收陷阱，7-直视CCD，8-反射镜，9-能量卡计，10-透镜二，11-监视CCD。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1和2所示，本实施例提供一种光学元件表面损伤阈值测试系统，由激光器1发出的高能量激光(波长351nm，脉宽5ns)，经过液晶光阀2整形后由的激光经由透镜一4汇聚作用到待测样品5表面后进入吸收陷阱6；同时采集光束分束器3反射的激光经由反射镜8反射的激光经由透镜10汇聚至监视CCD11，透射的激光进入能量卡计9，采集经过透镜二10汇聚的激光光斑近场，记录监视CCD11数据，记录卡计9能量数据。
按照R-on-1损伤阈值测试流程以固定能量为台阶增加激光能量直到元件表面出现损伤点，记录损伤发生时的激光近场图像和能量。将吸收陷阱6移除光路，由激光器发生低能量激光(波长351nm，脉宽5ns)，经过液晶光阀2整形后经由透镜一4汇聚作用到待测样品5表面后进入直视CCD7。
直视CCD7采集的近场图像中包含损伤点的位置信息，利用液晶光阀-靶面传递函数计算液晶上的坐标信息，通过液晶坐标信息确定损伤点在监视CCD上的坐标位置，计算坐标位置的局部通量。
液晶光阀-靶面激光传输关系的计算方法：
为了实现损伤点和局部通量的映射，建立损伤点位置和近场图像局部通量的映射关系，首先需要确定液晶光阀到直视CCD7的传输函数，激光经过光学元件传输图像会产生膨胀、旋转、平移变换，根据变换形式建立传递函数的数学模型，如下所示：
Xa＝AXb+BYb+C
Ya＝DXb+EYb+F
在液晶光阀上设置三个亮点坐标(Xa1,Ya1)，(Xa2,Ya2)，(Xa3,Ya3)经过激光传输后在直视CCD7上获得亮点坐标为(Xb1,Yb1)，(Xb2,Yb2)，(Xb3,Yb3)带入方程计算传递函数系数，A，B，C，D，E，F。
其中：
A = ( x a 1 - x x ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( x a 2 - x a 3 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( x b 2 - x b 3 ) ( y b 1 - y b 2 )
B = ( x a 1 - x a 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( x a 2 - x a 3 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( y b 2 - y b 3 ) ( x b 1 - x b 2 )
C = ( x a 1 x b 2 - x b 1 x a 2 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( x a 2 x b 3 - x b 2 x a 3 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 ) ( x b 2 - x b 1 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( x b 3 - x b 2 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 )
D = ( y a 1 - y a 2 ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( y a 2 - y a 3 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 2 - y b 3 ) - ( x b 2 - x b 3 ) ( y b 1 - y b 2 )
E = ( y a 1 - y a 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( y a 2 - y a 3 ) ( x b 1 - x b 2 ) ( y b 1 - y b 2 ) ( x b 2 - x b 3 ) - ( y b 2 - y b 3 ) ( x b 1 - x b 2 )
F = ( y a 1 x b 2 - x b 1 y a 2 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( y a 2 x b 3 - x b 2 y a 3 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 ) ( x b 2 - x b 1 ) ( y b 2 x b 3 - y b 3 x b 2 ) - ( x b 3 - x b 2 ) ( y b 1 x b 2 - y b 2 x b 1 )
方程系数矩阵可用如下方程表示：
A B D E + C F
通过计算获得的传输函数能够利用液晶光阀实现监视CCD11和直视CCD7近场图像的坐标对应。
监视CCD损伤点区域局部通量的计算方法：
优选的，监视CCD11和直视CCD7选取分辨率相同的CCD，可以选用同一型号产品，以方便坐标计算。
优选的，根据液晶-靶面的传递函数确定损伤点在监视CCD11采集的激光近场的坐标位置，监视CCD11近场选取的局部区域大小与损伤点尺度相关，为确保局部区域包含损伤点，局部区域的大小应为损伤点尺寸的2～3倍。
以50μm的损伤点为例，若CCD的像素点为12μm、分辨率为1024×1024的监视CCD11，局部区域的大小选取10×10像素区域或者15×15像素区域。
局部通量的计算公式：
F t h = Σ ( p i x e l v a l u e ) p i x e l a r e a
式中：
Fth——局部通量，单位J/cm2
∑(pixelvalue)——选取区域所有像素点的灰度值之和，单位J
Pixelarea——选取区域的像素点面积之和，单位cm2
像素大小由CCD参数决定，像素灰度值由监视CCD损伤图像读取。
同时利用损伤点的位置坐标还能够计算损伤前该坐标的通量数据，从而获得该缺陷的最大不损伤阈值。
采用本发明的基于光斑映射技术的损伤阈值测试系统，不仅可有效地克服缺陷在元件表面随机分布，激光束近场分布，不同种类缺陷对损伤阈值检测的影响，同时提高损伤阈值测试结果的精度和准确性，提高测试结果和损伤的相关性，提高测试结果的置信度。同时满足1-on-1、R-on-1和Raster scan等测量模式。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学元件表面损伤阈值测试系统，包括按光路依次放置的激光器(1)、液晶光阀(2)、光束分束器(3)、透镜一(4)、测试样品(5)、吸收陷阱(6)、直视CCD(7)、反射镜(8)、能量卡计(9)、透镜二(10)和监视CCD(11)，其特征在于，由激光器(1)发出的激光束，经液晶光阀(2)整形后到达光束分束器(3)，光束分束器(3)透射方向的激光经过透镜一(4)汇聚到测试样品(5)表面，经过测试样品(5)的激光经过吸收陷阱(6)到达直视CCD(7)，光束分束器(3)反射方向的激光经过反光镜(8)，反光镜(8)反射方向的激光到达透镜二(10)最后汇聚到监视CCD(11)，反光镜(8)透视方向的激光到达能量卡计(9)。
2.根据权利要求1所述的光学元件表面损伤阈值测试系统，其特征在于，所述激光器(1)发出激光波长为1053nm、527nm或351nm，脉冲宽度可调整范围为0.2ns～20ns，所述激光器输出能量调整范围为2J～100J。
3.根据权利要求1所述的光学元件表面损伤阈值测试系统，其特征在于，所述透镜一(4)和透镜二(10)对激光束进行聚焦，所述光束分束器(3)按1000∶1的比例将小能量的激光导入激光测试分析单元进行能量光束分析。
4.根据权利要求1所述的光学元件表面损伤阈值测试系统，其特征在于，所述的监视CCD(11)和直视CCD(7)位于光学共轭位置。
5.根据权利要求1所述的光学元件表面损伤阈值测试系统，其特征在于，在测试样品(5)和直视CCD(7)之间设置有吸收陷阱(6)，所述的吸收陷阱(6)由吸收型中性密度滤光片和陶瓷挡光片组成激光能量吸收装置。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的光学元件表面损伤阈值测试系统的测试方法，其特征在于，所述分束器(3)透过激光经由所述透镜(4)在待测样品(5)的表面汇聚激光进入所述直视CCD(7)进行光斑近场测试，所述分束器(3)反射的激光经由反射镜(8)反射至所述透镜(10)汇聚至监视CCD(11)进行激光光束近场分析；
测试步骤如下：
步骤1)：建立液晶光阀-靶面坐标关系，计算传输函数；
步骤2)：采集损伤点在直视CCD(7)中的坐标信息，利用传输函数计算出液晶光阀上位置信息，
步骤3)：获得在监视CCD(11)上的位置信息，选取一定像素矩阵利用监视CCD(11)采集的光斑近场分布计算局部的通量。
7.根据权利要求6所述的光学元件表面损伤阈值测试系统的测试方法，其特征在于，激光束的光斑直径典型值为10mm～12mm，光斑为平顶分布的光斑。
8.根据权利要求6所述的光学元件表面损伤阈值测试系统的测试方法，其特征在于，
液晶光阀-靶面激光传输关系的计算方法：
为了实现损伤点和局部通量的映射，建立损伤点位置和近场图像局部通量的映射关系，首先需要确定液晶光阀到直视CCD的传输函数，激光经过光学元件传输图像会产生膨胀、旋转、平移变换，根据变换形式建立传递函数的数学模型，如下所示：
Xa＝AXb+BYb+C
Ya＝DXb+EYb+F
在液晶光阀上设置三个亮点坐标(Xa1,Ya1)，(Xa2,Ya2)，(Xa3,Ya3)经过激光传输后在直视CCD上获得亮点坐标为(Xb1,Yb1)，(Xb2,Yb2)，(Xb3,Yb3)带入方程计算传递函数系数，A，B，C，D，E，F；
其中：
方程系数矩阵可用如下方程表示：
通过计算获得的传输函数能够利用液晶光阀实现监视CCD和直视CCD近场图像的坐标对应。
9.根据权利要求6所述的光学元件表面损伤阈值测试系统的测试方法，其特征在于，局部通量的计算公式为：
式中：
Fth——局部通量，单位J/cm2
Σ(pixelvalue)——选取区域所有像素点的灰度值之和，单位J
Pixelarea——选取区域的像素点面积之和，单位cm2。
10.根据权利要求6所述的光学元件表面损伤阈值测试系统的测试方法，其特征在于，监视CCD(11)和直视CCD(7)选取分辨率相同的CCD。
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