CN106964893B - 用于光学元件的激光预处理装置及处理方法 - Google Patents

用于光学元件的激光预处理装置及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光学元件的激光预处理装置及处理方法，包括：用于发出激光的激光光源；依次设置在激光传输方向上的分光劈板、反射镜、光束整形系统和放置待处理光学元件的电动平移台；其中，激光光源发出的激光经分光劈板之后经反射镜传输至光束整形系统，光束整形系统对激光进行光束整形，将本身高斯分布的激光光斑整形成平顶均匀分布的方光斑，最后辐照到光学元件表面来对光学元件进行激光预处理。通过本发明的激光预处理装置，形成平顶聚焦的均匀方形激光光斑使整个预处理过程辐照的能量密度均匀，并且能够通过倍率切换结构来轻松调节光斑的尺寸，进而调节到达光学元件表面激光能量密度的目的。

Description

用于光学元件的激光预处理装置及处理方法
技术领域
本发明属于光学材料激光预处理领域，具体涉及一种用于光学元件激光预处理的装置及方法。
背景技术
高功率固体激光装置的建造需要数量巨大、种类繁多的光学元件，以NIF为例，全装置共包含7460块大口径光学元件(0.5～1.0m)，使其不仅成为世界最大的激光器，也是迄今为止最大的光学系统。对于高功率激光装置来说，虽然光学元器件的发展中有许多技术和科学上的挑战，但是最关键的挑战之一是尽可能地消除激光所导致的损伤。
激光预处理技术是指采用一定波长的脉冲激光，以特定流程对光学元件进行全口径辐照，从而提升其抗损伤能力的目的。在某些场合，较高通量的预处理还能预先引爆光学元件表面的低阈值点，再配合相应的损伤缓解手段，可以有效规避系统的运行风险。激光预处理的适用对象包括熔石英元件、晶体元件以及其他镀膜元件等。就目前看来，激光预处理是能够有效提升光学元件激光抗损伤能力的有效手段之一，但通常使用的激光圆光斑多为高斯分布，使得预处理过程中会出现以下问题：中心较高的峰值功率可能引起光学元件表面损伤；高斯圆光斑需要拼接从而大大降低了预处理的效率；通过移动透镜来改变光斑大小从而改变激光能量密度使得操作变得复杂等。如何通过平顶分布且倍率可调的方形光斑来进行激光预处理成为目前激光预处理需要解决的问题之一。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于光学元件的激光预处理装置，包括：
用于发出激光的激光光源；
依次设置在激光传输方向上的分光劈板、反射镜、光束整形系统和放置待处理光学元件的电动平移台；
其中，激光光源发出的激光经分光劈板之后经反射镜传输至光束整形系统，光束整形系统对激光进行光束整形，将本身高斯分布的激光光斑整形成平顶均匀分布的方光斑，最后辐照到光学元件表面来对光学元件进行激光预处理。
优选的是，还包括：
用于检测激光能量的激光能量计，其设置在所述分光劈板的反射光方向上；
用于产生准直光的准直光源，其设置在所述反射镜反射面的入射光方向上；所述准直光源产生的准直光经反射镜反射之后将与激光同轴，便于肉眼观察激光所辐照到的位置。
优选的是，所述的激光光源为紫外准分子激光器。
优选的是，所述的反射镜为镀有对355nm波长减反且对632nm波长高反薄膜的反射镜，且与激光光束成45°放置。
优选的是，所述的准直光源为氦氖激光器。
优选的是，所述的光束整形系统包括依次位于激光光路上的复眼透镜组、倍率切换结构和会聚透镜组；所述的复眼透镜组用于匀滑激光入射光束，再经倍率切换机构和会聚透镜组聚焦后形成矩形的平顶能量分布。
优选的是，所述的倍率切换结构包括：六边形的手动转盘结构，其六个面分别作为一个输入端，使手动转盘结构实现六种输入和输出；所述六个面的两个相对面的方向上安装了两个不同倍率的扩束器，组成两个扩束镜组，另一个相对面的方向上安装直通孔；其中，直通孔对应的两个面倍率一致，扩束器分别由两端输入，形成两种倍率；六个输入端可以通过手动转盘结构转动实现五档的倍率切换，从而输出五种不同面积的光斑。
本发明还提供一种上述的激光预处理装置进行光学元件预处理的方法，包括以下步骤：
步骤一、用激光能量计分别置于光学元件后表面处及分光劈板侧面测量透射光束及反射光束的能量，计算出透射光束与反射光束的能量之比即为分光比值K；
步骤二、选择合适的阶梯式扫描的阶梯能量密度值F1，F2，…，Fn@τ1ns，选择合适的光斑面积S，再计算出应从放置在分光劈板侧面的激光能量计上直接读取的能量值E1，E2，…，En@τ2ns，其中
S为光斑面积，τ1为国际通用的脉宽，τ2为发出所述激光光源的激光器的脉宽；
步骤三、选择合适的激光重复频率，在控制计算机上设置电动平移台的移动速度其中μ为激光器重复频率；
步骤四、开启激光器，调整其能量，使得激光能量计上的读数为计算出的能量值En，之后便对光学元件进行光栅式扫描；
步骤五、重复以上步骤，直到将阶梯式扫描全部进行完成。
本发明至少包括以下有益效果：通过本发明的激光预处理装置，形成平顶聚焦的均匀方形激光光斑使整个预处理过程辐照的能量密度均匀，并且能够通过倍率切换结构来轻松调节光斑的尺寸，进而调节到达光学元件表面激光能量密度的目的，同时，在预处理过程中方形平顶光斑拼接时不需要重叠，很好地解决了高斯圆光斑在光学元件表面辐照不均容易引起损伤、拼接重叠率高预处理效率低以及能量调节操作复杂等问题，进而有效提高激光预处理的效率及光学元件的抗激光损伤性能。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明中装置总体结构示意图；
图2为本发明中的光束整形系统结构示意图；
图3为本发明中的倍率切换机构光路图；
图4为本发明中的一种平顶方形光斑轮廓图；
图5为本发明中光栅式扫描方法原理示意图。
图中，1.激光光源 2.分光劈板 3.激光能量计 4.反射镜 5.准直光源 6.光束整形系统 7.电动平移台 8.控制电脑 9.复眼透镜组 10.倍率切换结构 11.会聚透镜组 12.扩束镜组 13.手动转盘结构 14.直通孔
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了本发明的一种用于光学元件的激光预处理装置，包括：
用于发出激光的激光光源1；
依次设置在激光传输方向上的分光劈板2、反射镜4、光束整形系统6和放置待处理光学元件的电动平移台7，所述电动平移台7通过控制电脑8的控制实现移动；
其中，激光光源1发出的激光经分光劈板2之后经反射镜4传输至光束整形系统6，光束整形系统6对激光进行光束整形，将本身高斯分布的激光光斑整形成平顶均匀分布的方光斑，最后辐照到光学元件表面来对光学元件进行激光预处理，以提高光学元件的抗击光损伤性能。
在上述技术方案中，还包括：
用于检测激光能量的激光能量计3，其设置在所述分光劈板2的反射光方向上；分光劈板2的作用是取样，然后通过激光能量计3对激光能量进行监测；
用于产生准直光的准直光源5，其设置在所述反射镜4反射面的入射光方向上；所述准直光源5产生的准直光经反射镜4反射之后将与激光同轴，便于肉眼观察激光所辐照到的位置。
在上述技术方案中，所述的激光光源为紫外准分子激光器。
在上述技术方案中，所述的反射镜为两面均镀有对355nm波长减反且对632nm波长高反薄膜的反射镜，且与激光光束成45°放置，用以反射准直光；
在上述技术方案中，所述的准直光源为氦氖激光器。
在上述技术方案中，如图2所示，所述的光束整形系统包括依次位于激光光路上的复眼透镜组9、倍率切换结构10和会聚透镜组11；所述的复眼透镜组9用于匀滑激光入射光束，再经倍率切换机构10和会聚透镜组11聚焦后形成矩形的平顶能量分布。
在上述技术方案中，如图2～3所示，所述的倍率切换结构10包括：六边形的手动转盘结构13，其六个面分别作为一个输入端，使手动转盘结构13实现六种输入和输出；所述六个面的两个相对面的方向上安装了两个不同倍率的扩束器，组成两个扩束镜组12，另一个相对面的方向上安装直通孔14；其中，直通孔14对应的两个面倍率一致，扩束器分别由两端输入，形成两种倍率；六个输入端可以通过手动转盘结构13转动实现五档的倍率切换，从而输出五种不同面积的光斑。
本发明的一种采用上述的激光预处理装置进行光学元件预处理的方法，包括以下步骤：
步骤一、用激光能量计分别置于光学元件后表面处及分光劈板侧面测量透射光束及反射光束的能量，计算出透射光束与反射光束的能量之比即为分光比值K≈21；
步骤二、选择合适的阶梯式扫描的阶梯能量密度值F1＝6J/cm2，F2＝8J/cm2，F3＝10J/cm2，F4＝12J/cm2@3ns，选择合适的光斑面积S，再根据公式
计算出应从放置在分光劈板侧面的激光能量计上直接读取的能量值；由于所使用的激光器能量调节范围为240-400mJ，并且在本实施例中，具体测得激光能量损失为30％，到达光学元件表面的能量范围为168～280mJ，即所选择的阶梯扫描能量为168<En`<280，
若选取F1＝6J/cm2，τ1＝3ns，τ2＝22ns；
则
需要168<162.5S<280，则1.03<S<1.72；其中，S为光斑面积，本发明中共五档：0.6mm2(S1)、0.9mm2(S2)、1.3mm2(S3)、2mm2(S4)和3mm2(S5)，因此选择S3＝1.3mm2符合要求；故E1＝E1`/K≈7.74S3≈10.06mJ；
同理若选取F2＝8J/cm2，τ1＝3ns，τ2＝22ns；
则E2`＝216.6S；需要168<216.6S<280；0.78<S<1.29；因此选择S2＝0.9mm2符合要求；E2＝E2`/K≈10.32S2≈9.288mJ；
同理若选取F3＝12.9J/cm2，τ1＝3ns，τ2＝22ns；
可得E3＝12.9S2≈11.61mJ；
若选取F4＝12J/cm2@3ns；
可得E4＝15.48S1≈9.288mJ@22ns
步骤三、选择激光重复频率μ＝20Hz，在控制计算机上根据公式设置电动平移台的移动速度v1≈15.5mm/s；
步骤四、开启激光器，调整其能量，使得激光能量计上的读数为计算出的能量值E1，之后便对光学元件进行光栅式扫描，扫描原理如图5所示；
步骤五、重复步骤C和D，直到将阶梯式扫描全部进行完成。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种用于光学元件的激光预处理装置，其特征在于，包括：
用于发出激光的激光光源；
依次设置在激光传输方向上的分光劈板、反射镜、光束整形系统和放置待处理光学元件的电动平移台；
其中，激光光源发出的激光经分光劈板之后经反射镜传输至光束整形系统，光束整形系统对激光进行光束整形，将本身高斯分布的激光光斑整形成平顶均匀分布的方光斑，最后辐照到光学元件表面来对光学元件进行激光预处理；
所述的光束整形系统包括依次位于激光光路上的复眼透镜组、倍率切换结构和会聚透镜组；所述的复眼透镜组用于匀滑激光入射光束，再经倍率切换机构和会聚透镜组聚焦后形成矩形的平顶能量分布；
所述的倍率切换结构包括：六边形的手动转盘结构，其六个面分别作为一个输入端，使手动转盘结构实现六种输入和输出；所述六个面的两个相对面的方向上安装了两个不同倍率的扩束器，组成两个扩束镜组，另一个相对面的方向上安装直通孔；其中，直通孔对应的两个面倍率一致，扩束器分别由两端输入，形成两种倍率；六个输入端可以通过手动转盘结构转动实现五档的倍率切换，从而输出五种不同面积的光斑。
2.如权利要求1所述的用于光学元件的激光预处理装置，其特征在于，还包括：
用于检测激光能量的激光能量计，其设置在所述分光劈板的反射光方向上；
用于产生准直光的准直光源，其设置在所述反射镜反射面的入射光方向上；所述准直光源产生的准直光经反射镜反射之后将与激光同轴，便于肉眼观察激光所辐照到的位置。
3.如权利要求1所述的用于光学元件的激光预处理装置，其特征在于，所述的激光光源为紫外准分子激光器。
4.如权利要求1所述的用于光学元件的激光预处理装置，其特征在于，所述的反射镜为镀有对355nm波长减反且对632nm波长高反薄膜的反射镜，且与激光光束成45°放置。
5.如权利要求2所述的用于光学元件的激光预处理装置，其特征在于，所述的准直光源为氦氖激光器。
6.一种采用如权利要求2所述的激光预处理装置进行光学元件预处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、用激光能量计分别置于光学元件后表面处及分光劈板侧面测量透射光束及反射光束的能量，计算出透射光束与反射光束的能量之比即为分光比值K；
步骤二、选择合适的阶梯式扫描的阶梯能量密度值F1，F2，…，Fn@τ1ns，选择合适的光斑面积S，再计算出应从放置在分光劈板侧面的激光能量计上直接读取的能量值E1，E2，…，En@τ2ns，其中
S为光斑面积，τ1为国际通用的脉宽，τ2为发出所述激光光源的激光器的脉宽；
步骤三、选择合适的激光重复频率，在控制计算机上设置电动平移台的移动速度其中μ为激光器重复频率；
步骤四、开启激光器，调整其能量，使得激光能量计上的读数为计算出的能量值En，之后便对光学元件进行光栅式扫描；
步骤五、重复以上步骤，直到将阶梯式扫描全部进行完成。
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