CN108693189A - 大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,按照以下步骤进行:S1:在熔石英元件表面上的非通光区加工有至少一个编号基准标识,该编号基准标识均由多个字符点一组成,每个编号基准标识的字符点一共同构成一个布莱尔盲文数字字符;S2:沿熔石英元件表面的边缘加工有阵列分布的坐标系基准标识,各个坐标系基准标识能够在熔石英元件表面构建直角网格坐标系,该坐标系基准标识均由多个字符点二组成,每个坐标系基准标识的字符点二共同构成一个布莱尔盲文数字字符。采用本发明公开的大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,具有快速识别大口径熔石英光学元件和精确定位大口径熔石英光学元件表面激光损伤的能力。

Description

大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法
技术领域
本发明属于光学材料与光学元件技术领域,具体涉及一种大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法。
背景技术
在大型高功率激光装置中,如中国神光系列装置、NIF(美国国家点火装置)和LMJ(法国兆焦耳激光装置),光学性能优异的熔石英材料广泛应用于制备大口径的楔形透镜、取样光栅和真空窗口等光学元件。然而,在大型高功率激光装置的运行中,这些大口径的熔石英光学元件必须承受高通量密度的紫外激光,运行在激光损伤阈值和损伤增长阈值之上,即:超阈值运行。超阈值运行的直接后果是熔石英光学元件的表面容易产生损伤,而且,损伤一旦发生,尺寸会随着激光发次的增加而快速增长,严重影响了光学元件的稳定性和使用寿命。
高功率激光装置在超阈值的条件下日常运行要求必须具备管控激光损伤的能力。管控激光损伤的前提条件是精确地获得激光损伤的位置信息,在大口径元件边缘的非通光区制作定位基准点是准确测量激光损伤位置的有效手段。论文文献“Final Optics DamageInspection(FODI)for the National Ignition Facility”(Proc.of SPIE Vol.6720,672010,(2007)第9页图9)公开了一种由点构成的不规则K字形作为定位基准点的方法。论文文献“Large Aperture Optics Performance”(LLNL-TR-410955,(2009)第8页图6)公开了一种由点组成的不规则十字形作为定位基准点。论文文献“Optics Recycle LoopStrategy for NIF Operations Above UV Laser-Induced Damage Threshold”(FusionScience and Technology,Volume 69,265-294,(2016),第278页图18)公开了一种由点构成的三角形或长方形作为定位基准点的方法。
作为大口径熔石英元件的定位基准点需要具备以下特征:1.在明场、暗场以及内全反射照明条件下可以清晰地观察到;2.每个元件的基准点具有唯一性,可以快速识别是哪一块元件。但是,在大型高功率激光装置中有数百件的大口径熔石英元件,而采用K字形、十字形、三角形或长方形等标识的基准点很难实现对数百块元件的快速识别。
因此,现有的大口径熔石英光学元件定位基准点制作方法尚不具备在复杂照明条件下简洁高效地识别元件的能力,对于目前定位基准点标识面临的短板,必须突破由点组成简单几何图案作为基准点的束缚,进行设计创新,探索出一套定位基准点构建新方法,一目了然地实现大口径熔石英光学元件表面激光损伤的精确定位和元件识别。
发明内容
为解决以上技术问题,本发明提供一种大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,具有快速识别大口径熔石英光学元件和精确定位大口径熔石英光学元件表面激光损伤的能力。
为实现上述目的,本发明技术方案如下:
一种大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,其要点在于,按照以下步骤进行:
S1:在熔石英元件表面上的非通光区加工有至少一个编号基准标识,该编号基准标识均由多个字符点一组成,每个编号基准标识的字符点一共同构成一个布莱尔盲文数字字符;
S2:沿熔石英元件表面的边缘加工有阵列分布的坐标系基准标识,各个坐标系基准标识能够在熔石英元件表面构建直角网格坐标系,该坐标系基准标识均由多个字符点二组成,每个坐标系基准标识的字符点二共同构成一个布莱尔盲文数字字符。
采用以上方法,通过编号基准标识能够快速识别大口径熔石英元件的编号,使每个熔石英元件具有唯一性,以简洁高效地识别熔石英元件;通过坐标系基准标识的设计,在大口径熔石英元件表面能够构建起直角网格坐标系,以直观、便捷、高效地精确定位熔石英光学元件表面激光损伤的位置;本方法工艺稳定性好、可控性强,具有极佳的实用性和易用性。
作为优选:所述字符点一和字符点二均为正方形的激光烧蚀坑点阵。采用以上方法,正方形的激光烧蚀坑点阵可以评估在明场、暗场或内或全反射照明条件下采集的熔石英元件光学表面状态图像的分辨率,如果采集图像可以清晰地分辨激光烧蚀坑点阵,则采集图像可以准确地辨别大于烧蚀坑直径的熔石英表面损伤点。
作为优选:所述激光烧蚀坑点阵由激光脉冲烧蚀而成,该激光烧蚀坑点阵由呈正方形阵列分布的烧蚀坑组成,每个烧蚀坑的直径为120μm、深度为100μm,相邻烧蚀坑的间距均为120μm。采用以上方法,在明场、暗场或内或全反射照明条件下易于观察到激光烧蚀坑点阵组成的基准标识。
作为优选:所述激光脉冲为脉宽24μs的矩形CO2激光脉冲,该矩形CO2激光脉冲为声光调制器截取射频激励CO2激光器输出得到的峰值功率脉冲,所述激光脉冲在大口径熔石英元件表面的聚焦光斑直径为120μm,该激光脉冲聚焦峰值功率密度大于1.2×106W/cm2。采用以上方法,其中聚焦光斑直径为激光束边沿能量分布下降到1/e2的时候所测量到的光斑直径的大小,通过矩形CO2激光脉冲简洁高效地实现了大口径熔石英光学元件表面定位基准点的制作,避免了一系列复杂流程,并且制备的基准点直观、高效;并且,由于该激光脉冲为矩形CO2激光脉冲,其脉宽为24μs,聚焦光斑直径为120μm,聚焦峰值功率密度大于1.2×106W/cm2,因此,激光烧蚀坑点阵烧蚀成型后,激光烧蚀坑点阵周围不存在激光处理热残余应力,不会由于应力光弹效应影响通光区激光的偏振状态。
作为优选:所述熔石英元件表面为矩形,所述编号基准标识共有四个,其分布在大口径熔石英元件表面的四个边角处,所述坐标系基准标识均分为四组,并分别等间距均匀分布在相邻编号基准标识之间。采用以上方法,位置合理,同时能够对10000个大口径熔石英元件进行编号,满足的大型高功率激光装置需求,并且,能够高效、简洁地建立起直角网格坐标系,一目了然地实现大口径熔石英光学元件表面激光损伤的精确定位和元件识别。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
采用本发明提供的大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,思路新奇,易于实现,制备的基准点简单直观,在复杂照明条件下清晰可见、易于识别;坐标系基准标识构建的大口径熔石英光学元件表面的直角网格坐标系可以方便快捷地实现激光损伤的精准定位;并且,由于编号基准标识本身就是表示数字的符号,还可以方便地对元件进行编号,使每个熔石英元件具有唯一性,以简洁高效地识别熔石英元件。
附图说明
图1为大口径熔石英光学元件暗场图;
图2为布莱尔盲文数字字符释义对照图;
图3为熔石英样片表面激光烧蚀坑点阵光学显微图的俯视图;
图4为熔石英样片表面激光烧蚀坑点阵光学显微图的侧视图;
图5为利用光弹法测量的激光烧蚀坑点阵应力分布的俯视图;
图6为利用光弹法测量的激光烧蚀坑点阵应力分布的侧视图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
一种大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,按照以下步骤进行:
S1:S1:在熔石英元件表面上的非通光区加工有至少一个编号基准标识,该编号基准标识均由多个字符点一组成,每个编号基准标识的字符点一共同构成一个布莱尔盲文数字字符。
进一步地,请参见图1,熔石英元件表面为矩形,所述编号基准标识共有四个,其分布在大口径熔石英元件表面的四个边角处。
S2:沿熔石英元件表面的边缘加工有阵列分布的坐标系基准标识,各个坐标系基准标识能够在熔石英元件表面构建直角网格坐标系,该坐标系基准标识均由多个字符点二组成,每个坐标系基准标识的字符点二共同构成一个布莱尔盲文数字字符。
进一步地,请参见图1,所述坐标系基准标识均分为四组,并分别等间距均匀分布在相邻编号基准标识之间,形成了所述直角网格坐标系。
请参见图3和图4,所述字符点一和字符点二均为正方形的激光烧蚀坑点阵,该激光烧蚀坑点阵优选为10×10的烧蚀坑阵列。正方形的激光烧蚀坑点阵可以评估在明场、暗场或内或全反射照明条件下采集的熔石英元件光学表面状态图像的分辨率,如果采集图像可以清晰地分辨激光烧蚀坑点阵,则采集图像可以准确地辨别大于烧蚀坑直径的熔石英表面损伤点。
具体地说,所述激光烧蚀坑点阵由激光脉冲烧蚀而成。射频激励CO2激光器设置频率为1kHz、占空比25%,激光器出光后利用同步的占空比为2.4%的声光调制器截取射频激励CO2激光器输出光功率的峰值段,获得脉宽24μs的矩形CO2激光脉冲串,然后扩束聚焦,聚焦光斑约120μm,该激光脉冲聚焦峰值功率密度大于1.2×106W/cm2,使用扫描振镜在熔石英样片上制作激光烧蚀坑点阵,每个烧蚀坑打十发激光脉冲,相邻烧蚀坑之间的间距为120μm,单个烧蚀坑直径约120μm,深度约100μm。通过这样的设计,在明场、暗场或内或全反射照明条件下易于观察到激光烧蚀坑点阵组成的基准标识。并且,请参见图5和图6,利用光弹法可以检测到:所述激光烧蚀坑点阵烧蚀成型后,激光烧蚀坑点阵周围不存在激光处理热残余应力。从而使组成坐标基准点和编号基准标识的激光烧蚀坑点阵周围没有激光处理热残余应力,不会由于应力光弹效应影响通光区激光的偏振状态。
请参见图2,字符点一和字符点二如图示排列,则代表对应的数字。具体地说,使用扫描振镜按莱尔盲文数字字符中点的排列规则设置各个激光烧蚀坑点阵的相对位置,可以在熔石英表面制作布莱尔盲文数字字符式的编号基准标识和坐标系基准标识。通过光弹法再次检测编号基准标识和坐标系基准标识没有激光处理热残余应力。
请参见图1,在表面存在激光损伤的100mm×100mm的熔石英光学元件上举例,假定对熔石英样片的唯一编号为“9999”,使用扫描振镜在距离元件边缘10mm的表面上的四个角(左上角、右上角、左下角和右下角)分布制作表示“9”的布莱尔盲文数字字符式的编号基准标识,其中,熔石英光学元件的移动通过二维平移台实现。需要指出的是,在熔石英光学元件四个角的可以表示数字“0-9”的编号基准标识对熔石英光学元件进行编号,每个编号基准标识有10种选择,熔石英光学元件角上的四个编号基准标识能够组成10000种不同的编号,针对大型高功率激光装置数百块大口径熔石英元件,完全可以方便地实现对每块熔石英光学元件进行唯一编号,区分每一块熔石英光学元件。然后,把相邻的编号定位基准点之间的距离四等分,在等分位置按次序制作表示“1”、“2”、“3”的布莱尔盲文数字字符式的坐标系基准标识。对完成制作的熔石英光学元件采集暗场图片,如图1所示。可以观察到,在暗场照明条件下,边缘非通光区定位基准点及其分布清晰可见。
请参见图1,通过以上方法能够获得以下技术效果:1、制作的编号基准标识和坐标系基准标识易于识别,清晰可见;2、通过观察采集的暗场图是否可以清晰的分辨烧蚀坑点阵可以判断采集暗场图的分辨率;3、熔石英光学元件四个角上的定位基准点可以方便地实现唯一编号,识别元件;4、利用坐标系基准标识能够直观地在熔石英光学元件表面构建了一个直角网格坐标系,熔石英光学元件表面的损伤点在作为参照的坐标系内的位置是明确的,实现了每个激光损伤的精准定位。在对激光损伤的后续处理中,如:在线遮挡、离线修复等,只需首先找到易于观察到的定位基准点,根据已得到的位置信息就可以方便地再找到激光损伤。
最后需要说明的是,上述描述仅仅为本发明的优选实施例,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下,可以做出多种类似的表示,这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,其特征在于,按照以下步骤进行:
S1:在熔石英元件表面上的非通光区加工有至少一个编号基准标识,该编号基准标识均由多个字符点一组成,每个编号基准标识的字符点一共同构成一个布莱尔盲文数字字符;
S2:沿熔石英元件表面的边缘加工有阵列分布的坐标系基准标识,各个坐标系基准标识能够在熔石英元件表面构建直角网格坐标系,该坐标系基准标识均由多个字符点二组成,每个坐标系基准标识的字符点二共同构成一个布莱尔盲文数字字符。
2.根据权利要求1所述的大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,其特征在于:所述字符点一和字符点二均为正方形的激光烧蚀坑点阵。
3.根据权利要求2所述的大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,其特征在于:所述激光烧蚀坑点阵由激光脉冲烧蚀而成,该激光烧蚀坑点阵由呈正方形阵列分布的烧蚀坑组成,每个烧蚀坑的直径为120μm、深度为100μm,相邻烧蚀坑的间距均为120μm。
4.根据权利要求3所述的大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,其特征在于:所述激光脉冲为脉宽24μs的矩形CO2激光脉冲,该矩形CO2激光脉冲为声光调制器截取射频激励CO2激光器输出得到的峰值功率脉冲,所述激光脉冲在大口径熔石英元件表面的聚焦光斑直径为120μm,该激光脉冲聚焦峰值功率密度大于1.2×106W/cm2
5.根据权利要求1所述的大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法,其特征在于:所述熔石英元件表面为矩形,所述编号基准标识共有四个,其分布在大口径熔石英元件表面的四个边角处,所述坐标系基准标识均分为四组,并分别等间距均匀分布在相邻编号基准标识之间。
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