CN106645033B - 光学元件激光损伤一体化超快诊断装置 - Google Patents

光学元件激光损伤一体化超快诊断装置 Download PDF

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Abstract

一种光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，包括纳秒激光光源、飞秒激光光源、反射镜、分光棱镜、偏振分光棱镜、连续可调衰减器、干涉滤波片、透镜、机械开关、波片、检偏器、BBO倍频晶体、光楔、CCD相机、多通道数字延迟与脉冲时序发生器、光电探测器、能量计、示波器、待测样物体、计算机及控制处理系统。本发明通过多通道数字延迟与脉冲时序发生器控制激光光源与CCD相机的时序，可观察和拍摄不同延迟时间下透明光学元件激光诱导损伤的损伤形貌、体内及空气中传播的冲击波、应力分布、物质喷溅、裂纹形貌及分布、等离子形态及振幅与相位等信息。本发明可用于光学玻璃、晶体及塑料等透明光学元件激光诱导损伤现象的在线探测。

Description

光学元件激光损伤一体化超快诊断装置
技术领域
本发明涉及激光损伤，特别是一种光学元件激光损伤一体化超快诊断装置。该装置可实现光学玻璃、晶体及塑料等透明光学元件激光诱导损伤的损伤形貌、体内及空气中传播的冲击波、应力分布、物质喷溅、裂纹形貌及分布、等离子形态及振幅与相位等信息的在线探测。
背景技术
强激光与固体物质的相互作用包含了一系列的现象，如强激光诱导材料的损伤、熔化和烧蚀等，以及在激光辐照过程中相应伴随现象，如材料物质的喷溅、体内或表面应力的形成、裂纹的演化、等离子体的形成与湮灭、冲击波在体内和空气的传播及振幅和相位变化等。研究强激光与物质的相互作用及其相应现象的演化过程是认识物质特性的重要参考和依据，具有重要的应用和学术价值。然而，目前诸如条纹相机这样的超快诊断设备的时间分辨率还不足以完全满足和获取更短时间内物质超快演化行为的图像。采用基于泵浦-探针原理的时间分辨技术可解决这一问题而成为目前探测超快过程的另一重要手段。
目前，基于泵浦-探针原理的时间分辨技术已有一些报道。如A.Salleo等人在2001年时应用基于泵浦-探针原理的时间分辨超快诊断方法首次研究了激光辐照熔石英前后表面时冲击波行为[A.Salleo,F.Y.Genin,M.D.Feit,等,Applied Physics Letters,78,2840(2001)]。X.Z.Zeng等人研究了光学元件初始损伤时损伤点内的烧蚀诱导的冲击波传播[X.Z.Zeng,X.L.Mao,S.S.Mao,等,Applied Physics Letters,88,061502(2006)]。S.G.Demos等也在此原理上结合偏振分光片的时间分辨超快诊断系统研究了波长为355nm激光诱导熔石英体损伤过程中裂纹及应力波传播的动力学过程[S.G.Demos,R.N.Raman,R.A.Negres，等,Optics express,21,4875，(2013)]。但上述研究方法都是采用纳秒或皮秒激光作为探测光。H.F.Hu等[H.F.Hu,X.L.Wang,H.C.Zhai，等，J.Phys.D:Appl.Phys.44,135202(2011)]在基于泵浦-探针原理的基础上，结合全息技术研究了应力波的传播特点；周常河等人发明了一种观察测量飞秒激光诱导物质的动态变化过程的飞秒数字全息动态观察测量装置[周常河，朱林伟，武腾飞，飞秒数字全息动态观察测量装置，专利授权号：CN101806733 B]。然而，这些报道都是针对一个或两个信息进行探测，目前都无法同时获得激光辐照材料时的多维(如损伤形貌、体内及空气中传播的冲击波、应力分布、物质喷溅、裂纹形貌及分布、振幅及相位变化等)信息，无法深入分析强激光诱导光学材料损伤时这些现象之间的关联，导致目前对元件损伤机理的认识不清晰，无法找到合理和优化的抑制措施的原因之一，以致元件在较低激光能量辐照下会产生损伤事件，此现象是目前工程实际应用中的一个“瓶颈”问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术上的缺陷及不足，提出一种光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，该装置可实时观察和记录不同延迟时间点情况下同一时刻元件损伤的四幅结果图，观察和分析光学元件激光损伤时的损伤形貌、体内及空气中传播的冲击波、应力分布、物质喷溅、裂纹形貌及分布、等离子体形态及振幅与相位信息等信息及其演化规律。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特点在于该装置包括纳秒激光光源、飞秒激光光源、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第五全反镜、第六全反镜、第七全反镜、第八全反镜、第九全反镜、第十全反镜、第十一全反镜、第十二全反镜、第十三全反镜、第十四全反镜、第十五全反镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、偏振分光棱镜、第一连续可调衰减器、第二连续可调衰减器、第三连续可调衰减器、第四连续可调衰减器、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第三干涉滤光片、第四干涉滤光片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第一机械开关、第二机械开关、第三机械开关、第一四分之一波片、第二四分之一波片、检偏器、BBO倍频晶体、光楔、第一CCD相机、第二CCD相机、第三CCD相机、第四CCD相机、第一多通道数字延迟和脉冲时序发生器、第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器、光电探测器、能量计、示波器、待测样物体、计算机及控制处理系统，上述部件的位置关系如下：
所述的纳秒激光光源出射的纳秒激光经光楔和第一透镜聚焦在待测样物体表面,探测激光从所述的飞秒激光光源出射后首先经BBO倍频晶体倍频后，经第二透镜和第三透镜扩束，再经第一分光棱镜分为透射的A光束和反射的B光束；
所述的透射的A光束经第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜，然后经第一四分之一波片和待测样物体后携带有待测物体的信息，再经过第一机械开关和偏振分光棱镜分为透射的A1光束和反射的A2光束；
所述的透射的A1光束经第一连续可调衰减器和第一干涉滤光片进入第一CCD相机；
所述的反射的A2光束经第二四分之一波片、检偏器、第二连续可调衰减器和第二干涉滤光片进入第二CCD相机；
所述的反射的B光束经第五全反射镜和第二分光棱镜后分为透射的B1和反射的B2光束；
所述的透射的B1光束经第六全反射镜、第七全反射镜、第八全反射镜、第九全反射镜和第十全反镜后经待测样物体透射后，再经第三分光棱镜后再次分为反射的B11光束和透射的B12光束；
所述的反射的B11光束经第二机械开关、第三连续可调衰减器和第三干涉滤光片进入第三CCD相机；
所述的反射的B2光束经第十一全反射镜、第十二全反射镜、第十三反射镜、第十四反射镜、第十五反射镜后，再经第四分光棱镜反射；所述的透射的B12光束经第四分光棱镜透射后与经第四分光棱镜反射的B2光束一起经过第三机械开关、第四连续可调衰减器和第四干涉滤光片进入第四CCD相机；
所述的第一CCD相机、第二CCD相机、第三CCD相机和第四CCD相机的输出端与所述的计算机及控制处理系统的输入端相连；
所述的第一CCD相机、第二CCD相机、第三CCD相机、第四CCD相机、第一机械开关、第二机械开关和第三机械开关的控制端与所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器输出端相连；
所述的纳秒激光光源的控制端和飞秒激光光源的控制端与所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器的输出端相连；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器的输出端与所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器的控制端相连；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器的控制端与所述的计算机及控制处理系统的输出端相连；
所述的光电探测器的输出端与所述的示波器的输入端相连；
所述的纳秒激光光源出射的激光经过所述的光楔的反射部分激光由所述的能量计探测；
所述的透射的A光束经待测样物体，再经所述的第一机械开关和偏振分光棱镜后，形成的透射的A1光束携带激光辐照待测样物体正面方向上的损伤形貌及表面裂纹信息，简称为正面信息，该正面信息经所述的第一连续可调衰减器和第一干涉滤光片后，由所述的第一CCD相机探测；
所述的透射的A光束经第一四分之一波片、待测样物体、第一机械开关、偏振分光棱镜、第二四分之一波片和检偏器组成光弹记录装置，形成反射的A2光束，携带有激光辐照待测样物体损伤后形成的应力分布信息，该应力信息经过所述的第二连续可调衰减器和第二干涉滤光片后，由所述的第二CCD相机探测；
所述的透射的B1光束经待测样物体和第三分光棱镜后形成的反射的B11光束携带激光辐照待测样物体时在体内及空气中传播的冲击波、溅射物质以及体内裂纹形貌及分布信息，再经过所述的第二机械开关、第三连续可调衰减器和第三干涉滤光片后，由所述的第三CCD相机探测；
所述的第二分光棱镜、第六全反镜、第七全反镜、第八全反镜、第九全反镜、第十全反镜、第十一全反镜、第十二全反镜、第十三全反镜、第十四全反镜、第十五全反镜、第三分光棱镜和第四分光棱镜组成马赫-泽德干涉记录装置，所述的透射的B12光束携带激光辐照待测样物体时冲击波的振幅和相位信息，与所述的反射的B2光束同轴经过所述的第四分光棱镜获得冲击波的振幅和相位的全息信息，该全息信息经所述的第三机械开关、第四连续可调衰减器和第四干涉滤光片后，由所述的第四CCD相机探测。
所述的纳秒激光光源是一台脉宽为7ns，输出脉冲能量大于800mJ，可输出1064nm、532nm、355nm和266nm，能量稳定性小于0.7％，频率为10Hz，可输出单脉冲的固体激光器，所述飞秒激光光源是一台飞秒激光器，输出功率大于400mW，中心波长为800nm，脉宽为37fs，重复频率为1KHz，可输出单脉冲的钛宝石激光振荡系统。
所述的第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第五全反镜、第六全反镜、第七全反镜、第八全反镜、第九全反镜、第十全反镜、第十一全反镜、第十二全反镜、第十三全反镜、第十四全反镜、第十五全反镜均为镀介质膜的全反射镜，所述的第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜和第四全反镜组成第一束延迟装置，所述的第六全反镜、第七全反镜、第八全反镜和第九全反镜组成第二束延迟装置，所述的第十一全反镜、第十二全反镜、第十三全反镜和第十四全反镜组成第三延迟装置。
所述的第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜均为宽光谱介质膜的分光棱镜。
所述的第一连续可调衰减器、第二连续可调衰减器、第三连续可调衰减器和第四连续可调衰减器的连续可调的衰减率范围为0％～100％。
所述的第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第三干涉滤光片和第四干涉滤光片均为镀介质膜的窄带通滤光片。
所述的第一CCD相机、第二CCD相机、第三CCD相机和第四CCD相机均为在200nm～1200nm范围具有灵敏光谱响应的具有外控触发功能的CCD探测器。
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器控制纳秒激光光源和飞秒激光光源出射激光之间的时间延迟，所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器控制所述的第一CCD相机、第二CCD相机、第三CCD相机、第四CCD相机、第一机械开关、第二机械开关和第三机械开关的触发时间同步和开关开启时间。
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器的初始触发信号由所述的计算机及控制处理系统产生并输入，所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器的初始触发信号由所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器产生并输入。
本发明的技术效果：
本发明的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，由于同时将光弹法测应力装置与马赫-泽德干涉记录装置集成到泵浦-探针超快诊断系统中，待测物体置于系统中，基于超短飞秒脉冲作为探测光，通过计算机及控制处理系统一体化控制，能同时从正面及侧面实时观察和记录不同延迟时间情况下同一时刻元件损伤的四幅结果图，可观察和分析光学元件激光损伤时的损伤形貌、体内及空气中传播的冲击波、应力分布、物质喷溅、裂纹形貌及分布、等离子体形态及振幅与相位信息等信息及其演化规律。极大地提升了观察测量的准确性，推动了对元件损伤机理进一步认识。
附图说明
图1为本发明光学元件激光损伤一体化超快诊断装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置的结构如图1所示，由图可见，本发明光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，包括纳秒激光光源101、飞秒激光光源102、第一全反镜201、第二全反镜202、第三全反镜203、第四全反镜204、第五全反镜205、第六全反镜206、第七全反镜207、第八全反镜208、第九全反镜209、第十全反镜2010、第十一全反镜2011、第十二全反镜2012、第十三全反镜2013、第十四全反镜2014、第十五全反镜2015、第一分光棱镜301、第二分光棱镜302、第三分光棱镜303、第四分光棱镜304、偏振分光棱镜4、第一连续可调衰减器501、第二连续可调衰减器502、第三连续可调衰减器503、第四连续可调衰减器504、第一干涉滤光片601、第二干涉滤光片602、第三干涉滤光片603、第四干涉滤光片604、第一透镜701、第二透镜702、第三透镜703、第一机械开关801、第二机械开关802、第三机械开关803、第一四分之一波片901、第二四分之一波片902、检偏器10、BBO倍频晶体11、光楔12、第一CCD相机1301、第二CCD相机1302、第三CCD相机1303、第四CCD相机1304、第一多通道数字延迟和脉冲时序发生器1401、第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402、光电探测器15、能量计16、示波器17、待测样物体18、计算机及控制处理系统19，上述部件的位置关系如下：
所述的纳秒激光光源101出射的纳秒激光经光楔12和第一透镜701聚焦在待测样物体18表面,探测激光从所述的飞秒激光光源102出射后首先经BBO倍频晶体11倍频后，经第二透镜702和第三透镜703扩束，再经第一分光棱镜301分为透射的A光束和反射的B光束；
所述的透射的A光束经第一全反射镜201、第二全反射镜202、第三全反射镜203和第四全反射镜204，然后经第一四分之一波片901和待测样物体18后携带有待测物体的信息，再经过第一机械开关801和偏振分光棱镜4分为透射的A1光束和反射的A2光束；
所述的透射的A1光束经第一连续可调衰减器501和第一干涉滤光片601进入第一CCD相机1301；
所述的反射的A2光束经第二四分之一波片902、检偏器10、第二连续可调衰减器502和第二干涉滤光片602进入第二CCD相机1302；
所述的反射的B光束经第五全反射镜205和第二分光棱镜302后分为透射的B1和反射的B2光束；
所述的透射的B1光束经第六全反射镜206、第七全反射镜207、第八全反射镜208、第九全反射镜206和第十全反镜2010后经待测样物体18透射后，再经第三分光棱镜303后再次分为反射的B11光束和透射的B12光束；
所述的反射的B11光束经第二机械开关802、第三连续可调衰减器503和第三干涉滤光片603进入第三CCD相机1303；
所述的反射的B2光束经第十一全反射镜2011、第十二全反射镜2012、第十三反射镜2013、第十四反射镜2014、第十五反射镜2015后，再经第四分光棱镜304反射；所述的透射的B12光束经第四分光棱镜304透射后与经第四分光棱镜304反射的B2光束一起经过第三机械开关803、第四连续可调衰减器504和第四干涉滤光片604进入第四CCD相机1304；
所述的第一CCD相机1301、第二CCD相机1302、第三CCD相机1303和第四CCD相机1304的输出端与所述的计算机及控制处理系统19的输入端相连；
所述的第一CCD相机1301、第二CCD相机1302、第三CCD相机1303、第四CCD相机1304、第一机械开关801、第二机械开关802和第三机械开关803的控制端与所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402输出端相连；
所述的纳秒激光光源101的控制端和飞秒激光光源102的控制端与所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401的输出端相连；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401的输出端与所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402的控制端相连；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401的控制端与所述的计算机及控制处理系统19的输出端相连；
所述的光电探测器15的输出端与所述的示波器17的输入端相连；
所述的纳秒激光光源101出射的激光经过所述的光楔12的反射部分激光由所述的能量计16探测；
所述的透射的A光束经待测样物体18，再经所述的第一机械开关801和偏振分光棱镜4后，形成的透射的A1光束携带激光辐照待测样物体18正面方向上的损伤形貌及表面裂纹信息，简称为正面信息，该正面信息经所述的第一连续可调衰减器501和第一干涉滤光片601后，由所述的第一CCD相机1301探测；
所述的透射的A光束经第一四分之一波片901、待测样物体18、第一机械开关801、偏振分光棱镜4、第二四分之一波片902和检偏器10组成光弹记录装置，形成反射的A2光束，携带有激光辐照待测样物体18损伤后形成的应力分布信息，该应力信息经过所述的第二连续可调衰减器502和第二干涉滤光片602后，由所述的第二CCD相机1302探测；
所述的透射的B1光束经待测样物体18和第三分光棱镜303后形成的反射的B11光束携带激光辐照待测样物体18时在体内及空气中传播的冲击波、溅射物质以及体内裂纹形貌及分布信息，再经过所述的第二机械开关802、第三连续可调衰减器503和第三干涉滤光片603后，由所述的第三CCD相机1303探测；
所述的第二分光棱镜302、第六全反镜206、第七全反镜207、第八全反镜208、第九全反镜209、第十全反镜2010、第十一全反镜2011、第十二全反镜2012、第十三全反镜2013、第十四全反镜2014、第十五全反镜2015、第三分光棱镜303和第四分光棱镜304组成马赫-泽德干涉记录装置，所述的透射的B12光束携带激光辐照待测样物体18时冲击波的振幅和相位信息，与所述的反射的B2光束同轴经过所述的第四分光棱镜304获得冲击波的振幅和相位的全息信息，该全息信息经所述的第三机械开关803、第四连续可调衰减器504和第四干涉滤光片604后，由所述的第四CCD相机1304探测。
下面是一个实施例：
所述的纳秒激光光源101是一台激光器，脉宽为7ns，输出脉冲能量大于800mJ，可输出1064nm、532nm、355nm和266nm，能量稳定性小于0.7％，频率为10Hz，可输出单脉冲的固体激光器，所述飞秒激光光源102是一台飞秒激光器，输出功率大于400mW，中心波长为800nm，脉宽为37fs，重复频率为1KHz，可输出单脉冲的钛宝石激光振荡系统。
所述的第一全反镜201、第二全反镜202、第三全反镜203、第四全反镜204、第五全反镜205、第六全反镜206、第七全反镜207、第八全反镜208、第九全反镜209、第十全反镜2010、第十一全反镜2011、第十二全反镜2012、第十三全反镜2013、第十四全反镜2014、第十五全反镜2015均为镀介质膜的全反射镜。所述的第一全反镜201、第二全反镜202、第三全反镜203和第四全反镜204组成第一束延迟系统，所述的第六全反镜206、第七全反镜207、第八全反镜208和第九全反镜209组成第二束延迟系统，所述的第十一全反镜2011、第十二全反镜2012、第十三全反镜2013和第十四全反镜2014组成第三延迟系统，所述的第一延迟系统、第二延迟系统和第三延迟系统用于光路中的等光程调节，保证所述A1、A2、B11、B12和B2探测光到达所述的第一CCD相机1301、第二CCD相机1302、第三CCD相机1303和第四CCD相机1304的感光面的时间相同；
所述的第一分光棱镜301、第二分光棱镜302、第三分光棱镜303均为一块宽光谱介质膜的分光棱镜，其透射光和反射光分别为50％；第一分光棱镜301将探测光分为透射的A和反射的B两束探测光，第二分光棱镜302将反射的B探测光分为透射的B1和反射的B2两束光，反射的B2光作为全息记录中的参考光，第三分光棱镜303将透射的B1光分为反射的B11和透射的B12两束光，反射的B11光作为侧面观察阴影成像的照明光，透射的B12光作为全息记录中的物光；
所述的偏振分光棱镜4为一块消光比为1000:1的高消光棱镜，用于将A光束分为P偏振的透射的A1光和S偏振的反射的A2光，透射的A1光用于正面阴影成像的照明光，反射的A2光用于应力成像的照明光；
所述的第一连续可调衰减器501、第二连续可调衰减器502、第三连续可调衰减器503和第四连续可调衰减器504均为一块可在0％～100％范围之间连续可调的衰减器，用于根据光强实际情况衰减到CCD焦平面的光强度，避免CCD感光面被激光损伤；
所述的第一干涉滤光片601、第二干涉滤光片602、第三干涉滤光片603和第四干涉滤光片604均为一块镀介质膜的滤光片，中心波长为400nm，半宽带为10nm，用于仅允许波长为400nm的探测光进入CCD相机中，避免杂散光对成像质量的影响，成像过程中将第三干涉滤光片603去掉即可采集等离子的形成与湮灭图像；
所述的第一CCD相机1301、第二CCD相机1302、第三CCD相机1303和第四CCD相机1304都是一个可对400nm具有灵敏光谱响应且具有外控触发功能的CCD探测器；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401控制纳秒激光光源101和飞秒激光光源102之间的时间延迟，用于实现探测不同延迟时间情况下的损伤形貌、体内及空气中传播的冲击波、应力分布、物质喷溅、裂纹形貌及分布、等离子形态及振幅与相位信息等信息，分析演化规律；
所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402控制所述的第一CCD相机1301、第二CCD相机1302、第三CCD相机1303、第四CCD相机1304、第一机械开关801、第二机械开关802、第三机械开关803的触发时间同步和开关开启时间，用于实现CCD相机的同步拍摄成像；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401的初始触发信号由所述的计算机及控制处理系统19产生，所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402的初始触发信号由所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401产生。
所述的第一四分之一波片901和第二四分之一波片902是为了消除等倾线以便获得清晰的等差线图，以形成正交圆偏振光场；
所述的待测样物体18必须为六面精抛光的光学元件，以保证侧面探测光有足够高的透过率。
本发明工作原理和基本过程是：
当计算机及控制处理系统19向第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401发出一个触发信号时，第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401根据预先设置好的延迟时间分别触发纳秒激光光源101和飞秒激光光源102，纳秒激光光源101作为泵浦光源，飞秒激光光源102作为探测光源，纳秒激光光源101产生的泵浦光通过光楔12和第一透镜701聚焦在待测样物体18表面产生损伤现象，飞秒激光光源102产生的波长为800nm的脉冲光束经BBO倍频晶体11后倍频为波长为400nm的探测光，该探测光再经第二透镜702和第三透镜703扩束，扩束后的探测光经第一分光棱镜301分为透射的A光束和反射的B光束，透射的A光束经第一全反射镜201、第二全反射镜202、第三全反射镜203和第四全反射镜204组成的光束延迟系统，然后经第一四分之一波片901后入射并通过待测样物体18，再经过第一机械开关801、偏振分光棱镜4形成透射的A1光和反射的A2光，透射的A1光经过第一连续可调衰减器501和第一干涉滤光片601进入第一CCD相机1301后获得激光辐照待测样物体18损伤时正面方向上的损伤形貌及表面裂纹的阴影图像，记录存储在计算机及控制处理系统19中，反射的A2光依次经过第二四分之一波长902、检偏器10、第二连续可调衰减器502和第二干涉滤光片602后进入第二CCD相机1302，获得激光辐照待测样物体18损伤时应力分布图像，记录存储在计算机及控制处理系统19中，反射的B光束经第二分光棱镜302后分成透射的B1光束和反射的B2光束，透射的B1光束经第六全反射镜206、第七全反射镜207、第八全反射镜208和第九全反射镜209组成的光束延迟系统后经第十全反射镜2010后再经待测样物体18透射，携带有激光辐照待测样物体18后在体内和空气中产生的冲击波、溅射物质及裂纹信息的B1光束再经第三分光棱镜303后再次分为反射的B11光束和透射的B12光束，反射的B11光束经第二机械开关802、第三连续可调衰减器503和第三干涉滤光片603进入第三CCD相机1303后获得激光辐照待测样物体18损伤时物质喷溅、在体内和空气中传播的冲击波，以及体内裂纹的图像，记录存储在计算机及控制处理系统19中，反射的B2光束经过第十一全反射镜2011、第十二全反射镜2012、第十三反射镜2013和第十四反射镜2014组成的光束延迟系统后，再经第十五全反射镜2015和第四分光棱镜304反射，其反射光与透射的B12光共轴通过第四分光棱镜304的透射光一并通过第三机械开关803、第四连续可调衰减器504和第四干涉滤光片604进入第四CCD相机1304，获得激光辐照待测样物体18时冲击波的振幅及相位全息信息，记录存储在计算机及控制处理系统19中，通过数字全息重构即可获得振幅和相位等信息；
损伤测试过程中，在计算机及控制处理系统19向第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401发出分别触发纳秒激光光源101和飞秒激光光源102的信号的同时，第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401也设置合理的延迟时间触发第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402，第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402也在设置合理的延迟触发时间的情况下触发第一机械开关801、第二机械开关802、第三机械开关803，保证A光束和B光束及时通过第一机械开关801、第二机械开关802和第三机械开关803，第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402根据探测光到达CCD感光面的时间，在设置合理的延迟时间条件下触发第一CCD相机1301、第二CCD相机1302、第三CCD相机1303和第四CCD相机1304，以保证各CCD相机的同步拍摄成像。
整个损伤诊断成像过程中，通过第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器1401和第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器1402设置激光光源之间的延迟时间，机械开关的开启时间以及CCD成像时间是实现超快成像的关键。
对于等离子体形态的成像，主要采用所述的第三CCD相机1303来完成，实验过程中，将所述的第三干涉滤光片603去掉，即可实现对物质喷溅、在空气和体内传播的冲击波以及体内裂纹形貌及分布、等离子体形态的同时成像；
在本实例中，亦可通过更改第一延迟系统、第二延迟系统和第三延迟系统的延迟时间来实现同时观察同一损伤事件下不同时刻的损伤形貌、体内和空气中传播的冲击波、应力分布、物质喷溅、裂纹形貌及分布、等离子体形态及振幅与相位等图像；
同时，可在第十全反镜2010后面增加四分之一波片，在第二机械开关802和第三连续可调衰减器503依次增加四分之一波片和检偏器，即可实现对待测样物体18体内裂纹导致的应力分布成像，因此，本系统具有较强大的功能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进(如更改泵浦和探测光光源的类型，增加删减探测成像CCD相机数量等)等，均应包含在本发明的保护范围之类。

Claims (7)

1.一种光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特征在于该装置包括纳秒激光光源(101)、飞秒激光光源(102)、第一全反镜(201)、第二全反镜(202)、第三全反镜(203)、第四全反镜(204)、第五全反镜(205)、第六全反镜(206)、第七全反镜(207)、第八全反镜(208)、第九全反镜(209)、第十全反镜(2010)、第十一全反镜(2011)、第十二全反镜(2012)、第十三全反镜(2013)、第十四全反镜(2014)、第十五全反镜(2015)、第一分光棱镜(301)、第二分光棱镜(302)、第三分光棱镜(303)、第四分光棱镜(304)、偏振分光棱镜(4)、第一连续可调衰减器(501)、第二连续可调衰减器(502)、第三连续可调衰减器(503)、第四连续可调衰减器(504)、第一干涉滤光片(601)、第二干涉滤光片(602)、第三干涉滤光片(603)、第四干涉滤光片(604)、第一透镜(701)、第二透镜(702)、第三透镜(703)、第一机械开关(801)、第二机械开关(802)、第三机械开关(803)、第一四分之一波片(901)、第二四分之一波片(902)、检偏器(10)、BBO倍频晶体(11)、光楔(12)、第一CCD相机(1301)、第二CCD相机(1302)、第三CCD相机(1303)、第四CCD相机(1304)、第一多通道数字延迟和脉冲时序发生器(1401)、第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1402)、光电探测器(15)、能量计(16)、示波器(17)、待测样物体(18)、计算机及控制处理系统(19)，上述部件的位置关系如下：
所述的纳秒激光光源(101)出射的纳秒激光经光楔(12)和第一透镜(701)聚焦在待测样物体(18)的表面,探测激光从所述的飞秒激光光源(102)出射后首先经BBO倍频晶体(11)倍频后，经第二透镜(702)和第三透镜(703)扩束，再经第一分光棱镜(301)分为透射的A光束和反射的B光束；
所述的透射的A光束经第一全反射镜(201)、第二全反射镜(202)、第三全反射镜(203)和第四全反射镜(204)，然后经第一四分之一波片(901)和待测样物体(18)后携带有待测物体的信息，再经过第一机械开关(801)和偏振分光棱镜(4)分为透射的A1光束和反射的A2光束；
所述的透射的A1光束经第一连续可调衰减器(501)和第一干涉滤光片(601)进入第一CCD相机(1301)；
所述的反射的A2光束经第二四分之一波片(902)、检偏器(10)、第二连续可调衰减器(502)和第二干涉滤光片(602)进入第二CCD相机(1302)；
所述的反射的B光束经第五全反射镜(205)和第二分光棱镜(302)后分为透射的B1和反射的B2光束；
所述的透射的B1光束经第六全反射镜(206)、第七全反射镜(207)、第八全反射镜(208)、第九全反射镜(206)和第十全反镜(2010)后经待测样物体(18)透射后，再经第三分光棱镜(303)后再次分为反射的B11光束和透射的B12光束；
所述的反射的B11光束经第二机械开关(802)、第三连续可调衰减器(503)和第三干涉滤光片(603)进入第三CCD相机(1303)；
所述的反射的B2光束经第十一全反射镜(2011)、第十二全反射镜(2012)、第十三反射镜(2013)、第十四反射镜(2014)、第十五反射镜(2015)后，再经第四分光棱镜(304)反射；所述的透射的B12光束经第四分光棱镜(304)透射后与经第四分光棱镜(304)反射的B2光束一起经过第三机械开关(803)、第四连续可调衰减器(504)和第四干涉滤光片(604)进入第四CCD相机(1304)；
所述的第一CCD相机(1301)、第二CCD相机(1302)、第三CCD相机(1303)和第四CCD相机(1304)的输出端与所述的计算机及控制处理系统(19)的输入端相连；
所述的第一CCD相机(1301)、第二CCD相机(1302)、第三CCD相机(1303)、第四CCD相机(1304)、第一机械开关(801)、第二机械开关(802)和第三机械开关(803)的控制端与所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1402)输出端相连；
所述的纳秒激光光源(101)的控制端和飞秒激光光源(102)的控制端与所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1401)的输出端相连；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1401)的输出端与所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1402)的控制端相连；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1401)的控制端与所述的计算机及控制处理系统(19)的输出端相连；
所述的光电探测器(15)的输出端与所述的示波器(17)的输入端相连；
所述的纳秒激光光源(101)出射的激光经过所述的光楔(12)的反射部分激光由所述的能量计(16)探测；
所述的透射的A光束经待测样物体(18)，再经所述的第一机械开关(801)和偏振分光棱镜(4)后，形成的透射的A1光束携带激光辐照待测样物体(18)正面方向上的损伤形貌及表面裂纹信息，简称为正面信息，该正面信息经所述的第一连续可调衰减器(501)和第一干涉滤光片(601)后，由所述的第一CCD相机(1301)探测；
所述的透射的A光束经第一四分之一波片(901)、待测样物体(18)、第一机械开关(801)、偏振分光棱镜(4)、第二四分之一波片(902)和检偏器(10)组成光弹记录装置，形成反射的A2光束，携带有激光辐照待测样物体(18)损伤后形成的应力分布信息，该应力信息经过所述的第二连续可调衰减器(502)和第二干涉滤光片(602)后，由所述的第二CCD相机(1302)探测；
所述的透射的B1光束经待测样物体(18)和第三分光棱镜(303)后形成的反射的B11光束携带激光辐照待测样物体(18)时在体内及空气中传播的冲击波、溅射物质以及体内裂纹形貌及分布信息，再经过所述的第二机械开关(802)、第三连续可调衰减器(503)和第三干涉滤光片(603)后，由所述的第三CCD相机(1303)探测；
所述的第二分光棱镜(302)、第六全反镜(206)、第七全反镜(207)、第八全反镜(208)、第九全反镜(209)、第十全反镜(2010)、第十一全反镜(2011)、第十二全反镜(2012)、第十三全反镜(2013)、第十四全反镜(2014)、第十五全反镜(2015)、第三分光棱镜(303)和第四分光棱镜(304)组成马赫-泽德干涉记录装置，所述的透射的B12光束携带激光辐照待测样物体(18)时冲击波的振幅和相位信息，与所述的反射的B2光束同轴经过所述的第四分光棱镜(304)获得冲击波的振幅和相位的全息信息；该全息信息经所述的第三机械开关(803)、第四连续可调衰减器(504)和第四干涉滤光片(604)后，由所述的第四CCD相机(1304)探测；
其中，所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1401)控制纳秒激光光源(101)和飞秒激光光源(102)出射激光之间的时间延迟，所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1402)控制所述的第一CCD相机(1301)、第二CCD相机(1302)、第三CCD相机(1303)、第四CCD相机(1304)、第一机械开关(801)、第二机械开关(802)和第三机械开关(803)的触发时间同步和开关开启时间；
所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1401)的初始触发信号由所述的计算机及控制处理系统(19)产生并输入，所述的第二多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1402)的初始触发信号由所述的第一多通道数字延迟与脉冲时序发生器(1401)产生并输入。
2.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特征在于所述的纳秒激光光源(101)是一台脉宽为7ns，输出脉冲能量大于800mJ，可输出1064nm、532nm、355nm和266nm，能量稳定性小于0.7％，频率为10Hz，可输出单脉冲的固体激光器，所述飞秒激光光源(102)是一台飞秒激光器，输出功率大于400mW，中心波长为800nm，脉宽为37fs，重复频率为1KHz，可输出单脉冲的钛宝石激光振荡系统。
3.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特征在于所述的第一全反镜(201)、第二全反镜(202)、第三全反镜(203)、第四全反镜(204)、第五全反镜(205)、第六全反镜(206)、第七全反镜(207)、第八全反镜(208)、第九全反镜(209)、第十全反镜(2010)、第十一全反镜(2011)、第十二全反镜(2012)、第十三全反镜(2013)、第十四全反镜(2014)、第十五全反镜(2015)均为镀介质膜的全反射镜，所述的第一全反镜(201)、第二全反镜(202)、第三全反镜(203)和第四全反镜(204)组成第一束延迟装置，所述的第六全反镜(206)、第七全反镜(207)、第八全反镜(208)和第九全反镜(209)组成第二束延迟装置，所述的第十一全反镜(2011)、第十二全反镜(2012)、第十三全反镜(2013)和第十四全反镜(2014)组成第三延迟装置。
4.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特征在于所述的第一分光棱镜(301)、第二分光棱镜(302)、第三分光棱镜(303)均为宽光谱介质膜的分光棱镜。
5.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特征在于所述的第一连续可调衰减器(501)、第二连续可调衰减器(502)、第三连续可调衰减器(503)和第四连续可调衰减器(504)的连续可调的衰减率范围为0％～100％。
6.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特征在于所述的第一干涉滤光片(601)、第二干涉滤光片(602)、第三干涉滤光片(603)和第四干涉滤光片(604)均为镀介质膜的窄带通滤光片。
7.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤一体化超快诊断装置，其特征在于所述的第一CCD相机(1301)、第二CCD相机(1302)、第三CCD相机(1303)和第四CCD相机(1304)均为在200nm～1200nm范围具有灵敏光谱响应的具有外控触发功能的CCD探测器。
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