CN106959206B - 基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法 - Google Patents

基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，步骤包括预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品对表面的区域进行不同程度加工，针对不同程度加工的区域进行光热检测得到光热检测值并进行激光阈值测试得到零概率损伤阈值，根据各个区域的光热检测值及其对应的零概率损伤阈值建立待测熔石英元件的光热检测‑零概率损伤阈值关联曲线模型；对待测熔石英元件进行光热检测得到光热检测值，根据所述光热检测‑零概率损伤阈值关联曲线模型查找对应的零概率损伤阈值，得到待测熔石英元件的零概率损伤阈值。本发明能够实现对熔石英元件的无损检测、操作简单、准确性高、灵敏度高、能满足强光光学系统使用要求。

Description

基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法
技术领域
本发明涉及熔石英光学元件抛光后激光负载能力评价方法，具体涉及一种基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，用于利用光热检测手段评价熔石英元件表面激光负载能力，预测熔石英元件激光损伤阈值。
背景技术
高功率激光技术的发展，对光学元件的激光负载性能提出了更高的要求。目前，熔石英元件广泛运用于高功率激光器之中，其对辐照激光的吸收，会导致自身内部温度升高，表面发生热变形和内部折射率发生变化，最终发生激光损伤。因此。熔石英吸收损耗是限制激光器规模和能量输出水平的重要因素。而实现熔石英元件吸收损耗的准确评估，从而预测激光损伤阈值，对指导加工工艺，降低元件吸收损耗具有重要意义。
目前，光热检测技术是测量光学材料微弱吸收的一种新兴手段。它具有灵敏度高，调节方便，非接触式等优点，已经广泛应用于激光光学元件如薄膜样品或晶体材料的吸收检测中。基本技术原理是基于材料在泵浦激光的作用下表面因吸收能量导致局部温度升高，从而引起材料的物理特性变化，例如折射率的变化。这种材料特性的变化与激光参数和材料本身的光学吸收特性紧密相关。在激光参数一定的情况下，通过对光热效应引起的材料特性变化进行检测，可以获得材料的吸收特性。基于光学元件在激光辐照下的热效应，提出了激光量热技术，热透镜技术，表面热透镜技术，光热偏转技术，光声光谱技术等多种高灵敏测量技术。常用的是光热偏转技术，利用另一束较弱的探测激光来检测和分析泵浦激光所激发的光热效应。当探测激光经过泵浦激光照射区域，因为光热效应引起的材料特性变化会引起探测激光的光束传播特性发生变化，比如产生新增的会聚或发散效应，通过对探测光传播特性变化量进行测量，就可以得到材料吸收特性。材料吸收越大，引起的探测光传播特性变化越大，相应的测到信号也越大。而且，在一定泵浦激光功率范围内，吸收和测量信号呈线性关系。
利用光热偏转法可以准确测量熔石英元件表面吸收，然而熔石英元件吸收与其激光损伤阈值之间的关联关系尚不明确。因此，需要研究熔石英元件吸收与其零概率激光损伤阈值之间的关联关系，利用光热检测手段测量元件吸收，实现预测熔石英元件激光损伤阈值的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现对熔石英元件的无损检测、操作简单、准确性高、灵敏度高、能满足强光光学系统使用要求的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，步骤包括：
1）预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品，对表面的区域进行不同程度加工，针对不同程度加工的区域进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值并进行激光阈值测试得到零概率损伤阈值，根据各个区域的光热检测值及其对应的零概率损伤阈值建立待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型；
2）对待测熔石英元件进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值；
3）针对得到的光热检测值，根据所述光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型查找对应的零概率损伤阈值，得到待测熔石英元件的零概率损伤阈值。
优选地，步骤1）的详细步骤包括：
1.1）预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品，进行兆声清洗、吹干；
1.2）针对兆声清洗后的标准熔石英元件样品，进行指定数量的多轮HF酸刻蚀工艺后用去离子水冲洗并用高压氮气吹干，且每一轮HF酸刻蚀工艺包括用HF酸刻蚀30min和超声水洗30min两部分处理步骤，且所述HF酸刻蚀时HF酸的质量分数为5%；
1.3）将吹干后的标准熔石英元件样品划分为多个区域，针对每一个区域分别利用离子束加工去除不同深度，针对每个区域中进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值并进行1-on-1激光阈值测试得到零概率损伤阈值；
1.4）根据各个区域的光热检测值及其对应的零概率损伤阈值建立待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型。
优选地，步骤1.1）进行兆声清洗、吹干具体是指进行兆声清洗30min后再使用氮气吹干。
优选地，步骤1.3）进行1-on-1激光阈值测试得到零概率损伤阈值的详细步骤包括：针对不同程度加工的每一个区域分别选择多个能量台阶，每个能量台阶至少选择多个测试点来测试各能量台阶的损伤概率，将最终得到的零损伤概率阈值作为1-on-1激光阈值测试得到的零概率损伤阈值。
优选地，所述基于光热弱吸收的光热检测具体是指基于光热弱吸收检测仪上进行光热检测，且采用的激光参数为355nm波长，重频30kHz，电流30A，激光功率3.91W，测试方式为反射，测试区域样品表面随机选取，区域大小为0.25mmx0.25mm，测试精度10μm。
优选地，所述进行兆声清洗、吹干具体是指进行兆声清洗30min后再使用氮气吹干。
优选地，所述基于光热弱吸收的进行光热检测以及进行激光阈值测试均为在百级洁净环境中进行。
本发明基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法具有下述优点：熔石英元件存在激光损伤前驱体，会对辐照激光产生吸收，从而导致熔石英内部温度升高，表面发生热变形和内部折射率发生变化，最终发生激光损伤，因此实现熔石英元件吸收损耗的准确评估，从而预测零概率激光损伤阈值，对指导加工工艺，降低元件吸收损耗具有重要意义。本发明通过预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品测试建立待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型，在实际检测时只需要对待测熔石英元件进行兆声清洗、吹干，再进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值，然后根据所述光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型查找对应的零概率损伤阈值，得到待测熔石英元件的零概率损伤阈值，能够实现对熔石英元件的无损检测，具有操作简单、准确性高、灵敏度高，调节方便，非接触式等优点，可以实现对熔石英元件激光吸收的准确检测，能满足强光光学系统使用要求，满足强光光学系统对熔石英元件缺陷情况的无损检测和阈值估计，实现熔石英元件激光阈值精度高的无损检测和抗损伤评估。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例方法得到的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型。
图3为本发明实施例方法得到的光热检测值。
具体实施方式
下文将以一块100mm×100mm×10mm的方形的熔石英元件作为检测对象，对本发明基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法进行进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法步骤包括：
1）预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品，对表面的区域进行不同程度加工，针对不同程度加工的区域进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值并进行激光阈值测试得到零概率损伤阈值，根据各个区域的光热检测值及其对应的零概率损伤阈值建立待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型；
2）对待测熔石英元件进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值；
3）针对得到的光热检测值，根据所述光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型查找对应的零概率损伤阈值，得到待测熔石英元件的零概率损伤阈值。
本实施例中，步骤1）的详细步骤包括：
1.1）预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品，进行兆声清洗、吹干；本实施例中，步骤1.1）进行兆声清洗、吹干具体是指进行兆声清洗30min后再使用氮气吹干。
1.2）针对兆声清洗后的标准熔石英元件样品，进行指定数量的多轮HF酸刻蚀工艺后用去离子水冲洗并用高压氮气吹干，且每一轮HF酸刻蚀工艺包括用HF酸刻蚀30min和超声水洗30min两部分处理步骤，且所述HF酸刻蚀时HF酸的质量分数为5%；本实施例中，具体是进行4轮HF酸刻蚀工艺，此外也可以根据需要进行调整所述的轮数；
1.3）将吹干后的标准熔石英元件样品划分为多个区域，针对每一个区域分别利用离子束加工去除不同深度，针对每个区域中进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值并进行1-on-1激光阈值测试得到零概率损伤阈值；本实施例中，具体是指将吹干后的标准熔石英元件样品划分为5个区域，针对每一个区域分别利用离子束加工去除不同深度，分别为0nm、200nm、400nm、600nm、800nm，每个区域中进行光热检测和1-on-1阈值测试；
1.4）根据各个区域的光热检测值及其对应的零概率损伤阈值建立待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型。
本实施例中，具体得到的待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型如图2所示，参见图2可知，本实施例中待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型为一条斜线模型，且拟合参数R2为0.8925。
本实施例中，步骤1.3）进行1-on-1激光阈值测试得到零概率损伤阈值的详细步骤包括：针对不同程度加工的每一个区域分别选择多个能量台阶，每个能量台阶至少选择多个测试点来测试各能量台阶的损伤概率，将最终得到的零损伤概率阈值作为1-on-1激光阈值测试得到的零概率损伤阈值。本实施例中，1-on-1激光阈值测试过程中每个区域分别选择5个能量台阶，每个能量台阶至少选择10个测试点用以测试各能量台阶的损伤概率，最终得到的零损伤概率阈值作为各区域的损伤阈值。
本实施例中，基于光热弱吸收的光热检测具体是指基于光热弱吸收检测仪上进行光热检测，且采用的激光参数为355nm波长，重频30kHz，电流30A，激光功率3.91W，测试方式为反射，测试区域样品表面随机选取，区域大小为0.25mmx0.25mm，测试精度10μm。本实施例中，光热弱吸收检测仪具体采用合肥知常的PTS-2000-RT-C型光热弱吸收检测仪，对每种离子束加工深度的表面进行了两次测量，并取平均值作为该种表面的光热检测值。具体结果参见图3。参见图3，深度为0nm区域的光热检测值为1.20ppm，深度为200nm区域的光热检测值为1.20ppm，深度为400nm区域的光热检测值为1.43ppm，深度为600nm区域的光热检测值为0.97ppm，深度为800nm区域的光热检测值为1.78ppm。
参见图1，本实施例步骤2）对待测熔石英元件进行基于光热弱吸收的光热检测之前，还包括对待测熔石英元件进行兆声清洗、吹干的步骤。本实施例中，进行兆声清洗、吹干具体是指进行兆声清洗30min后再使用氮气吹干。进行兆声清洗旨在清洗掉出元件表面灰尘等污染，避免干扰光热检测值，兆声水洗30分钟后，再使用氮气吹干。
本实施例中，基于光热弱吸收的进行光热检测以及进行激光阈值测试均为在百级洁净环境中进行，全部测量流程均在百级洁净环境中完成，确保环境污染在极低的水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于步骤包括：
1）预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品，对表面的区域进行不同程度加工，针对不同程度加工的区域进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值并进行激光阈值测试得到零概率损伤阈值，根据各个区域的光热检测值及其对应的零概率损伤阈值建立待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型；
2）对待测熔石英元件进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值；
3）针对得到的光热检测值，根据所述光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型查找对应的零概率损伤阈值，得到待测熔石英元件的零概率损伤阈值。
2.根据权利要求1所述的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于，步骤1）的详细步骤包括：
1.1）预先针对与待测熔石英元件同型号的标准熔石英元件样品，进行兆声清洗、吹干；
1.2）针对兆声清洗后的标准熔石英元件样品，进行指定数量的多轮HF酸刻蚀工艺后用去离子水冲洗并用高压氮气吹干，且每一轮HF酸刻蚀工艺包括用HF酸刻蚀30min和超声水洗30min两部分处理步骤，且所述HF酸刻蚀时HF酸的质量分数为5%；
1.3）将吹干后的标准熔石英元件样品划分为多个区域，针对每一个区域分别利用离子束加工去除不同深度，针对每个区域中进行基于光热弱吸收的光热检测得到光热检测值并进行1-on-1激光阈值测试得到零概率损伤阈值；
1.4）根据各个区域的光热检测值及其对应的零概率损伤阈值建立待测熔石英元件的光热检测-零概率损伤阈值关联曲线模型。
3.根据权利要求2所述的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于，步骤1.1）进行兆声清洗、吹干具体是指进行兆声清洗30min后再使用氮气吹干。
4.根据权利要求2所述的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于，步骤1.3）进行1-on-1激光阈值测试得到零概率损伤阈值的详细步骤包括：针对不同程度加工的每一个区域分别选择多个能量台阶，每个能量台阶至少选择多个测试点来测试各能量台阶的损伤概率，将最终得到的零损伤概率阈值作为1-on-1激光阈值测试得到的零概率损伤阈值。
5.根据权利要求1或2所述的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于，所述基于光热弱吸收的光热检测具体是指基于光热弱吸收检测仪上进行光热检测，且采用的激光参数为355nm波长，重频30kHz，电流30A，激光功率3.91W，测试方式为反射，测试区域样品表面随机选取，区域大小为0.25mmx0.25mm，测试精度10μm。
6.根据权利要求1所述的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于，步骤2）对待测熔石英元件进行基于光热弱吸收的光热检测之前，还包括对待测熔石英元件进行兆声清洗、吹干的步骤。
7.根据权利要求6所述的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于，所述进行兆声清洗、吹干具体是指进行兆声清洗30min后再使用氮气吹干。
8.根据权利要求1所述的基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法，其特征在于，所述基于光热弱吸收的进行光热检测以及进行激光阈值测试均为在百级洁净环境中进行。
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