CN108007381B - 光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置及检测方法。该装置包括：光源系统，沿光源的光束传播方向依次放置样品台、显微放大系统、分光系统和探测器系统。本发明具有装置简单、成本低、操作方便等优点，可在线测量光学元件损伤点的三维形貌以及测量损伤增长的动态过程。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件，特别是一种光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置和测量方法。
背景技术
光学元件的抗激光诱导损伤能力是制约激光器输出能力的重要因素。由于探测技术及实验条件有限，不能直接探测激光与材料相互作用的过程。损伤特性研究作为了解激光损伤诱导源信息的一种重要手段，通过分析光学元件的损伤现象，研究光学元件的损伤特性，有助于分析损伤发生过程，改进相关的加工工艺，进而提升光学元件的抗激光损伤能力。
光学元件的激光损伤特性主要包括损伤点的形貌特征(横向信息和纵向信息)、化学成分及微观结构信息等。针对损伤点的形貌特征测量，目前最常用的损伤测量方法是光学显微镜，主要用于判断是否发生损伤及在线测量损伤点的横向信息(参见在先技术1,SamRichman,Alexander R.Martin,Quentin Turchette,et al,“Adaptive characterizationof laser damage from sparse defects”,Proc.of SPIE Vol.9237@2014)；使用原子力显微镜、扫描电子显微镜、光学轮廓仪等离线测量损伤点的三维形貌(参见在先技术2,YiZheng,Ping Ma,Haibo Li,et al,“Studies on transmitted beam modulation effectfrom laser induced damage on fused silica optics”,Optics Express Vol.21@2013)。通过分析统计不同激光参数(波长、脉宽、通量等)作用下损伤点的形貌特征，对光学元件的损伤特性进行总结，更加深入和全面的了解光学元件的激光损伤过程。然而，使用光学显微镜在线测量损伤点，只能得到横向信息而不能得到纵向信息；虽然使用原子力显微镜、光学轮廓仪等设备可以用于测量损伤点的三维形貌，但是装置系统结构复杂，仅能用于离线测量，不能在线测量光学元件损伤时在纵向上的形貌变化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置和测量方法，根据测量光学元件被辐照区域的相位信息变化量，计算得到损伤区域的形貌。
本发明的技术解决方案如下，
一种光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置，其特点在于包括光源系统、样品台、显微放大系统、分光系统和探测器系统；
所述的光源系统包括激光光源、白光光源和光源控制台，所述的激光光源、白光光源置于所述的光源控制台上，激光光源提供准平行光，光源控制台用于切换激光光源和白光光源及控制光源系统的移动；
所述的样品台供待测光学元件置放和调节，并调节待测光学元件的位置及角度，放置在所述的显微放大系统的物方视场上；
所述的分光系统包括平行平板和分光平板位移台，所述的平行平板置于所述的分光平板位移台上，放置在显微放大系统的像方视场上，所述的平行平板的前后表面产生两束反射光，所述的位移台用于控制平行平板的移动；
所述的探测器系统包括探测器和探测位移台，所述的探测器置于所述的探测位移台上；
沿所述的该光源系统发出的光束方向依次是所述的待测光学元件、显微放大系统、平行平板和探测器。
所述的探测器是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
所述的显微放大系统是由放大倍率不同的物镜和目镜组成，圆形光源照明时其物方分辨率R由激光光源(101)的波长λ和物镜的数值孔径NA按下式确定，
所述的平行平板的折射率nt，所处环境的折射率为na，厚度h，光束入射角度为θ，则平行平板前后表面反射光束的横向平移量S由下列公式确定：
所述的平行平板前后表面的两束反射光都包含损伤点的相位信息，根据测试要求确定损伤点的最大横向尺寸D，调节光束入射角度θ可改变横向平移量S，在光束横向平移方向上损伤点最大横向尺寸D、显微放大系统(3)的放大倍数K与横向平移量S、有效激光光束的半径r的关系满足下列公式：
D·K≤S≤r。
利用上述光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置进行损伤形貌的测量方法，该方法包含下列步骤：
①搭建光学元件激光诱导损伤测试系统：该系统包括脉冲激光器，沿该脉冲激光器的激光输出方向依次是能量控制器、聚焦系统、分光元件，该分光元件将入射光分为反射光和透射光，在所述的透射光方向上放置能量吸收陷阱，在所述的反射光方向放置光束质量诊断系统，在所述的分光元件和能量吸收陷阱之间离轴放置在线观测的显微镜及用于照明的白光光源，安装所述的光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置，使所述的样品台置于所述的分光元件和能量吸收陷阱之间；
②将待测光学元件放置在所述的样品台上，移动样品台使待测光学元件位于所述的聚焦系统的焦点前方附近；
③打开脉冲激光器的光闸，通过移动样品台调节待测光学元件的位置，使用脉冲激光辐照待测光学元件的边缘，调节所述的显微镜和白光光源观察待测光学元件的被辐照区域，调节能量控制器改变激光通量，直到待测光学元件上出现可观测的损伤点，关闭所述的脉冲激光器的光闸；
④通过所述的光源控制台使所述的白光光源输出的白光照明待测光学元件(上的损伤点，调节所述的显微放大系统的位置及其放大倍率、分光系统和探测器系统的位置及角度，使所述的探测器测量得到损伤点清晰放大的图像；
⑤根据测试需求确定待测光学元件测试区域的总数量M，将第i区域记为si，其中i＝1、2、3、…、M；
⑥通过所述的样品台调节待测光学元件的位置，将第i测试区域si置于所述的白光光源的辐照区域，调节所述的平行平板及探测器，所述的探测器上得到测试区域si的清晰图像，切换激光光源照明待测光学元件的测试区域si；
⑦所述的探测器记录测试区域si的干涉图Ii0，该干涉图Ii0中包含激光光源、显微放大系统、平行平板引入的系统误差信息；
⑧打开脉冲激光器的光闸，使用单发脉冲激光辐照待测光学元件的区域si，所述的探测器记录得到干涉图Ii1，关闭脉冲激光器的光闸；
⑨根据测试要求判断是否需要调节能量控制器改变激光通量再继续辐照区域si：若不需要继续辐照该区域，转入步骤⑩；若需要继续辐照区域si，每发次脉冲激光辐照该区域后，所述的探测器记录得到干涉图Iij，其中Iij表示在第i个区域上第j次脉冲激光辐照后测得的干涉图，j＝1、2、3、…、N；
⑩通过所述的控制样品台改变待测光学元件的辐照区域，令i＝i+1，当i≤M时，返回步骤⑦，否则，进入步骤
相位信息提取：按现有的傅里叶变换法从每个区域的干涉图像(I10、I11、…、I1N)、(I20、I21、…、I2N)、…、(IM0、IM1、…、IMN)提取相位信息 首先分别将干涉图进行傅里叶变换得到频谱图，从频谱图中滤出1级频谱，将1级频谱平移到原点并作逆傅里叶变换，分别得到相位信息
从所述的相位信息 计算得到每个区域被脉冲激光辐照后相位信息的变化量 分别由下列公式确定：
使用相位信息的变化量 分别按下列公式计算各辐照区域内每次辐照后损伤点的三维形貌：
其中，k＝2π/λ，ns为待测光学元件的折射率，na为所处环境的折射率。
与在先技术相比，本发明具有以下优点，
1.与在先技术[1]相比，本发明同时测量光学元件损伤点的横向信息和纵向信息。
2.与在先技术[2]相比，本发明具有装置简单、成本低、操作方便等优点，可在线测量光学元件损伤点的三维形貌以及测量损伤增长的动态过程。
附图说明
图1是本发明光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置的光路示意图；
图2是本发明实验结果图，其中(a)～(d)分别为脉冲激光第1次、第3次、第5次、第7次辐照镀膜元件后测得的辐照区域损伤形貌。
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，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置的光路示意图，由图可见，本发明光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置，包括光源系统1，沿该光源系统1的光束传播方向依次放置样品台2、显微放大系统3、分光系统4、探测系统5。所述的光源系统包括激光光源101、白光光源102和控制台103，其中激光光源101提供准平行光，激光光束的半径r＝5mm，控制台103用于切换激光光源101和白光光源102及控制光源系统1的移动。所述的样品台2用于夹持镀膜元件14，并调节镀膜元件14的位置及角度，放置在显微放大系统3的物方视场上。所述的分光系统4包括平行平板401和位移台402，放置在显微放大系统3的像方视场上，其中平行平板401前后表面产生两束反射光，位移台402用于控制平行平板401的移动。所述的探测器系统5包括CCD 501和位移台502，其中CCD 501用于记录干涉图，像素尺寸为3.2μm×3.2μm，位移台502用于控制探测器501的移动。所述的显微放大系统3的放大倍数K＝3，圆形光源照明，其物方分辨率R(R＝12.87μm)由激光光源101的波长λ(λ＝632.8nm)和显微放大系统3的物方数值孔径NA(NA＝0.03)按下式确定，
所述的平行平板401的折射率nt＝1.478，所处环境的折射率na＝1，厚度h＝3mm，光束入射角度θ＝30o，则平行平板401前后表面反射光束的横向平移量S(S＝1.87mm)由下列公式确定，
确保平行平板401的前后表面反射光束中损伤区域不重叠，在光束平移方向上损伤点的最大横向尺寸D应不大于600μm。
利用上述光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置进行损伤形貌测量的方法，该方法包含下列步骤，
①按照已有的国际标准光学元件激光诱导损伤测试方法搭建损伤测试系统：该系统包括脉冲激光器6，沿激光光束的传播方向分别放置能量控制器7、聚焦系统8、分光元件9，在分光元件9的光束透射方向上放置能量吸收陷阱12，在分光元件9的光束反射方向上放置光束质量诊断系统10，在分光元件9和能量吸收陷阱12之间离轴放置可用于在线观测的显微镜11及用于照明的白光光源13；
②将镀膜元件14放置在样品台2上，移动样品台，使镀膜元件14位于聚焦系统8的焦点前方附近；
③打开脉冲激光器6的光闸，通过移动样品台2调节镀膜元件14的位置，使用脉冲激光辐照镀膜元件14的边缘，调节显微镜11和白光光源13观察光学元件14的被辐照区域，调节能量控制器7改变激光通量，直到镀膜元件14上出现较大尺寸的损伤点，关闭脉冲激光器6的光闸；
④使用光源系统1中的白光光源102照明镀膜元件14上的损伤点，调节显微放大系统3的位置及其放大倍率、分光系统4和探测器系统5的位置及角度，使用探测器501测量得到损伤点清晰放大的图像；
⑤根据测试需求确定镀膜元件14测试区域的总数量M＝1，将该区域的编号记为s1；
⑥通过控制样品台2调节镀膜元件14的位置，将测试区域s1作为被辐照区域，调节分光系统4及探测器系统5，在CCD 501上得到测试区域s1的清晰图像，切换光源系统1，使用激光光源101照明镀膜元件14的测试区域s1；
⑦使用CCD 501记录得到干涉图I10，其中干涉图I10中包含激光光源101、显微放大系统3、平行平板401等引入的系统误差信息；
⑧打开脉冲激光器6的光闸，使用单发脉冲激光辐照镀膜元件14的区域s1，然后使用CCD 501记录得到干涉图I11，关闭脉冲激光器6的光闸；
⑨调节能量控制器7改变激光通量继续辐照区域s1，每发次脉冲激光辐照该区域后，使用CCD 501记录得到I1j，其中I1j表示第j次脉冲激光辐照区域s1后测得的干涉图，j＝1、2、3、…、7，记录得到区域s1在辐照前和每次辐照后的干涉图像(I10、I11、…、I17)；
⑩使用现有的相位提取算法：傅里叶变换法从每个区域的干涉图像(I10、I11、…、I17)提取相位信息：首先分别将干涉图进行傅里叶变换得到频谱图，从频谱图中滤出1级频谱，将1级频谱平移到原点并作逆傅里叶变换，分别得到相位信息
从相位信息计算得到每个区域被脉冲激光辐照后相位信息的变化量分别由下列公式确定，
使用相位信息的变化量计算各辐照区域内每次辐照后损伤点三维形貌Δh1j，分别由下列公式确定，
其中k＝2π/λ，镀膜元件的折射率ns＝1.52，所处环境的折射率na＝1。
实验结果见图2所示，图2(a)～(d)分别为脉冲激光第1次、第3次、第5次、第7次辐照镀膜元件后测得的辐照区域损伤形貌。本实施例验证了本发明装置及方法，在线测量得到了损伤区域的三维损伤形貌。
Claims (4)
1.一种光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置，其特征在于包括光源系统(1)，样品台(2)、显微放大系统(3)、分光系统(4)和探测器系统(5)，以及光学元件激光诱导损伤测试系统；
所述的光源系统(1)包括激光光源(101)、白光光源(102)和光源控制台(103)，所述的激光光源(101)、白光光源(102)置于所述的光源控制台(103)上，激光光源(101)提供准平行光，光源控制台(103)用于切换激光光源(101)和白光光源(102)及控制光源系统(1)的移动；
所述的样品台(2)供待测光学元件(14)置放和调节，并调节待测光学元件(14)的位置及角度，放置在所述的显微放大系统(3)的物方视场上；
所述的分光系统(4)包括平行平板(401)和分光平板位移台(402)，所述的平行平板(401)置于所述的分光平板位移台(402)上，放置在显微放大系统(3)的像方视场上，所述的分光平板位移台(402)用于控制平行平板(401)的移动，所述的光源系统(1)的输出光束在平行平板(401)的前后表面分别反射；
所述的探测器系统(5)包括探测器(501)和探测位移台(502)，所述的探测器(501)置于所述的探测位移台(502)上；
沿所述的光源系统(1)发出的光束方向依次是所述的待测光学元件(14)、显微放大系统(3)、平行平板(401)和探测器(501)；
所述的光学元件激光诱导损伤测试系统包括脉冲激光器(6)，沿该脉冲激光器(6)的激光输出方向依次是能量控制器(7)、聚焦系统(8)、分光元件(9)，该分光元件(9)将入射光分为反射光和透射光，在所述的透射光方向上放置能量吸收陷阱(12)，在所述的反射光方向放置光束质量诊断系统(10)，在所述的分光元件(9)和能量吸收陷阱(12)之间离轴放置在线观测的显微镜(11)及用于照明的白光光源(13)；所述的样品台(2)置于所述的分光元件(9)和能量吸收陷阱(12)之间。
2.根据权利要求1所述的光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置，其特征在于所述的探测器(501)是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
3.根据权利要求1所述的光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置，其特征在于所述的显微放大系统(3)是由放大倍率不同的物镜和目镜组成，圆形光源照明时其物方分辨率R由激光光源(101)的波长λ和物镜的数值孔径NA按下式确定，
所述的平行平板(401)的折射率nt，所处环境的折射率为na，厚度h，光束入射角度为θ，则平行平板(401)前后表面反射光束的横向平移量S由下列公式确定：
平行平板(401)前后表面的两束反射光都包含损伤点的相位信息，根据测试要求确定损伤点的最大横向尺寸D，调节光束入射角度θ可改变横向平移量S，在光束横向平移方向上损伤点最大横向尺寸D、显微放大系统(3)的放大倍数K与横向平移量S、有效激光光束的半径r的关系满足下列公式：
D·K≤S≤r。
4.利用权利要求1-3任一所述的光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置进行损伤形貌的测量方法，其特征在于该方法包含下列步骤：
①搭建光学元件激光诱导损伤测试系统：该系统包括脉冲激光器(6)，沿该脉冲激光器(6)的激光输出方向依次是能量控制器(7)、聚焦系统(8)、分光元件(9)，该分光元件(9)将入射光分为反射光和透射光，在所述的透射光方向上放置能量吸收陷阱(12)，在所述的反射光方向放置光束质量诊断系统(10)，在所述的分光元件(9)和能量吸收陷阱(12)之间离轴放置在线观测的显微镜(11)及用于照明的白光光源(13)，安装所述的光学元件激光诱导损伤三维形貌在线测量装置，使所述的样品台(2)置于所述的分光元件(9)和能量吸收陷阱(12)之间；
②将待测光学元件(14)放置在所述的样品台(2)上，移动样品台(2)使待测光学元件(14)位于所述的聚焦系统(8)的焦点前方附近；
③打开脉冲激光器(6)的光闸，通过移动样品台(2)调节待测光学元件(14)的位置，使用脉冲激光辐照待测光学元件(14)的边缘，调节所述的显微镜(11)和白光光源(13)观察待测光学元件(14)的被辐照区域，调节能量控制器(7)改变激光通量，直到待测光学元件(14)上出现可观测的损伤点，关闭所述的脉冲激光器(6)的光闸；
④通过所述的光源控制台(103)使所述的白光光源(102)输出的白光照明待测光学元件(14)上的损伤点，调节所述的显微放大系统(3)的位置及其放大倍率、分光系统(4)和探测器系统(5)的位置及角度，使所述的探测器(501)测量得到损伤点清晰放大的图像；
⑤根据测试需求确定待测光学元件(14)测试区域的总数量M，将第i区域记为si，其中i＝1、2、3、…、M；
⑥通过所述的样品台(2)调节待测光学元件(14)的位置，将第i测试区域si置于所述的白光光源(102)的辐照区域，调节所述的平行平板(401)及探测器(501)，所述的探测器(501)上得到测试区域si的清晰图像，切换激光光源(101)照明待测光学元件(14)的测试区域si；
⑦所述的探测器(501)记录测试区域si的干涉图Ii0，该干涉图Ii0中包含激光光源(101)、显微放大系统(3)、平行平板(401)引入的系统误差信息；
⑧打开脉冲激光器(6)的光闸，使用单发脉冲激光辐照待测光学元件(14)的区域si，所述的探测器(501)记录得到干涉图Ii1，关闭脉冲激光器6的光闸；
⑨根据测试要求判断是否需要调节能量控制器(7)改变激光通量再继续辐照区域si：若不需要继续辐照该区域，转入步骤⑩；若需要继续辐照区域si，每发次脉冲激光辐照该区域后，所述的探测器(501)记录得到干涉图Iij，其中Iij表示在第i个区域上第j次脉冲激光辐照后测得的干涉图，j＝1、2、3、…、N；
⑩通过控制所述的样品台(2)改变待测光学元件(14)的辐照区域，令i＝i+1，当i≤M时，返回步骤⑦，否则，进入步骤
相位信息提取：按现有的傅里叶变换法从每个区域的干涉图像(I10、I11、…、I1N)、(I20、I21、…、I2N)、…、(IM0、IM1、…、IMN)提取相位信息
从所述的相位信息 计算得到每个区域被脉冲激光辐照后相位信息的变化量 分别由下列公式确定：
使用相位信息的变化量 分别按下列公式计算各辐照区域内每次辐照后损伤点的三维形貌：
其中，k＝2π/λ，ns为待测光学元件的折射率，na为所处环境的折射率。
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