CN109186958A - 一种多光共轴激光损伤阈值测试装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光共轴激光损伤阈值测试装置及实现方法。所述测量装置采用4台高能脉冲激光器，分别经对应棱镜转折后进入共轴光学系统，4光束共用一套系统，以及计算机控制处理系统，利用可变间距的正‑负透镜组成扩束系统，对扩束系统的光学间隔进行调整，可实现不同波长激光束的准直扩束；采用步进电机精确控制聚焦透镜的位置，对不同激光波长的焦距进行补偿，从而保证激光传输到测试表面，其光斑的大小及离焦量恒定。该装置实现了测试系统的集成化、自动化、智能化，能够在线、实时、快速、准确判别薄膜损伤，同一测试装置，可以测量多种不同波长的激光损伤阈值。

Description

一种多光共轴激光损伤阈值测试装置及实现方法

技术领域

本发明涉及一种多光共轴激光损伤阈值测试装置及实现方法。

背景技术

在大功率高能量激光系统中，存在大量的光学元件，这些元件表面常常需要涂覆薄膜以实现特定的光学性能。已有研究表明，光学元件在强激光下的破坏完全由元件表面薄膜的抗激光能力所决定。因而激光损伤阈值已成为光学元件及薄膜器件不可缺少的一项性能指标。薄膜激光损伤阈值的高效测量也就成为亟待解决的重要技术问题。

因此多年来，国内外对激光与光学介质薄膜损伤过程和阈值测试方法的研究始终是研究热点。2000年，国际标准化委员会颁布了ISO11254-1和ISO11254-2，这是对激光引起光学薄膜损伤而制定的国际标准，该标准在随后又做了进一步修订，以ISO21254-2-2011取代了前述标准。ISO国际标准中对损伤阈值获得的基本方法为1-on-1零几率损伤法，即用较低能量的单脉冲激光照射薄膜表面m个点，记录下损伤点的个数n，则该能量下激光辐照损伤概率为P=n/m。适当增加激光能量，再测出该能量下的损伤概率，以此反复，直到某激光能量下的损伤概率为100%。以激光能量为横轴，损伤几率为纵轴，得出损伤几率与激光能量的分布，再用直线拟合并外推到零损伤几率，所对应的激光能量值除以光斑面积即为损伤阈值。然而需要强调的是，目前国际标准中仅包含单一波长激光损伤阈值的测量。

随着大功率、高能量激光系统的广泛应用，所需要的激光光学元件越来越多，由于光学元件应用环境各异，不同的用户对激光损伤阈值的具体要求也不同。有的要求1064 nm波长的激光损伤阈值，有的则要求532 nm的损伤阈值，还有的要求355 nm的激光损伤阈值。基于薄膜或光学元件的激光损伤阈值具有强烈的波长效应，测试激光的波长对激光损伤阈值的大小有重要的影响，因此给定激光损伤阈值的要求时，通常需要给出测试的激光波长。另一方面，激光预处理也是一种重要的提高薄膜激光损伤阈值的方法。采用激光对薄膜进行预处理时，不同的激光处理波长将获得不同的处理效果。为满足不同用户的需求，目前已有不少单位搭建了自己的激光损伤阈值测试平台，有的测试波长为1064 nm，有的为532nm，但目前这些单位对样品的测试，一般只采用单一激光束。如果需要测试1064 nm和532nm两种波长的激光损伤阈值，则需要采用两套独立的激光损伤阈值测试系统来进行，或者将两套独立的测试系统集成在一个平台上，其实质仍然为两套光学系统，这种结构不仅增加了设备及测试成本，而且效率很低，因此需要开发出能够测量多种激光损伤阈值的测试设备。

目前之所以难以采用多光共轴光学系统，是因为光学元件存在着色散，光学系统对不同激光束的焦距及像面位置不同，使得同轴光学系统难以保证多光束的准直和同样的束腰位置，从而造成严重的测量误差。

发明内容

有鉴于此，本发明为解决背景技术的不足之处，提供一种多光共轴激光损伤阈值测试装置及实现方法，其共用一套光学系统，实现了多种波长激光损伤阈值的检测，测试装置具有测试迅速、操作简单、重复性好的优点。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种多光共轴激光损伤阈值测试装置，包括依次设置于主光轴上的开关挡板、衰减器、第一分束器、位移聚焦透镜、第二分束器、和样品台，还包括CCD相机、光纤光谱仪、光束分析仪、能量计和计算机，所述的第一分束器上连接有能量计，第二分束器上连接有光束分析仪，CCD相机、光纤光谱仪、光束分析仪、能量计分别与计算机连接，其特征在于：所述的开关挡板的前端光轴上并列设置有若干条光路，每条光路上依次设置有激光器和立方棱镜，每块立方棱镜均由一对直角棱镜胶合而成，每块直角棱镜的直角面上均镀有宽带增透膜，胶合的两块直角棱镜中，其中一块直角棱镜斜面上镀有多层介质膜，可将本光路和上一光路的光束耦合进入主光轴，所述的开关挡板与衰减器之间设置有扩束系统。

所述的扩束系统由一对可变间距的正透镜和负透镜组成的伽利略望远系统构成，所述的负透镜设置于步进电机驱动的支架上，可沿光轴方向移动，以对不同光束的焦距差异进行补偿。

所述的位移聚焦透镜设置于步进电机驱动的支架上，可沿光轴方向移动，补偿不同波长造成的焦距长短差异。

所述的样品台通过两只步进电机驱动，在垂直于主光轴的平面内二维移动。

一种多光共轴激光损伤阈值测试装置进行损伤阈值测量的方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

1）测试系统标定：根据扩束系统和位移聚焦透镜精确测量的不同波长的焦距数值，确定每种光束传输时在光学系统中的位置，并由计算机存储；

2）将被测样品安装在样品台上，测试面对着光源方向，并且测试面紧靠夹具定位面；

3）计算机将指令发送给每台激光器开始预燃，用户选取激光损伤阈值的检测波长，计算机进行测试系统复位，沿着光轴方向移动负透镜5到预设位置，对选定激光波长下的正、负透镜间距进行调整；

4）计算机同时控制位移聚焦透镜，通过步进电机驱动聚焦透镜沿着光轴方向移动，将聚焦透镜放置在预设的位置；

5）采用激光器的泵浦灯来控制激光脉冲输出，激光辐照前，CCD相机先采集样品表面的图像信息，然后用脉冲激光对样品进行辐照，同时采集等离子光谱信息，辐照完成后，再次采集样品表面的图像信息，计算机实时对采集的数据进行分析，以判断样品表面是否发生损伤；

6）通过样品台将样品移动一个步距，重复上述第5步的测试过程，并依据ISO21254进行测量，根据事先标定的衰减片组合，调节衰减器以保证输出的激光能量符合要求，当激光脉冲发出后，能量计及光束分析仪实时记录当前脉冲的能量和光斑大小，并反馈给计算机，如果薄膜表面发生了损伤，CCD相机采集的图像在薄膜损伤前后将发生变化；光纤光谱仪采集的等离子体光谱将出现特征峰，相应的电信号传输给计算机，计算机进行处理后，触发下一个激光脉冲，重复以上过程进行下一个点的测量，直到完成10个能级100个点的测量，即可拟合出样品的激光损伤阈值；

7）用户选择其他测试波长，重复上述（2）-（6）步，即可完成其他波长激光损伤阈值的测量。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）结构简单：只需要将各种激光器作为独立的光源，其他如扩束、衰减、聚焦等均共用一套光学系统，节约了大量的零部件，降低了成本；

2）激光损伤阈值的测量速度很快，对薄膜激光损伤阈值的获得可以在300s内完成；

3）灵敏度高，重复性好：采用图像法和等离子体光谱法进行损伤判别，只要一个探测器响应即认为薄膜发生了损坏；

4）测量对象范围宽：无论是反射膜、增透膜、薄膜、厚膜均可实现高精度的判别；

5）测试系统自动化、智能化程度高：只需选定测试波长，点击“开始测量”键，整个过程无需人工干预。

6）激光损伤阈值测量装置既可以直观看到激光与物质的作用过程，可以实时观测损伤形貌，又可以探测到薄膜损伤所引起的光学性能变化，适用于各类光学元件及薄膜表面，适用于各种类型的薄膜损伤判别，且具有快速、准确、全方位监测的特点，实现了整个激光损伤阈值测试系统的快速全自动化过程。

附图说明

图1 多光共轴激光损伤阈值测试装置原理示意图

标记说明：1、激光器，2、立方棱镜，3、开关档板，4、正透镜，5、负透镜，6、衰减器，7、第一分束器，8、位移聚焦透镜，9、第二分束器，10、CCD相机，11、光纤光谱仪，12、样品台，13、光束分析仪，14、能量计，15、计算机；

1-1、激光器一，1-2、激光器二，1-3、激光器三，1-4、激光器四；

2-1、立方棱镜一，2-2、立方棱镜二，2-3、立方棱镜三，2-4、立方棱镜四。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

一种多光共轴激光损伤阈值测试装置，输出波长分别为λ₁、λ₂、λ₃和λ₄的四台高能脉冲激光器一1-1，激光器二1-2，激光器三1-3和激光器四1-4，四束激光分别经立方棱镜一2-1，立方棱镜二2-2，立方棱镜三2-3和立方棱镜四2-4反射（或透射）后进入同一光轴系统，并依次在主光路上经过开关档板3，进入可变间距扩束系统的正透镜4、负透镜5，衰减器6，第一分束器7，位移聚焦透镜8、第二分束器9、到达样品台12，还包括CCD相机10，光纤光谱仪11，光束分析仪13和能量计14。

四台高能脉冲激光器的输出波长分别为1064 nm，532 nm，355 nm和266 nm，脉宽10 ns，输出激光束斑为直径8 mm的高斯光斑，输出能量为单脉冲200 mJ。

上述第一激光器输出的第一激光λ₁光路上设置有第一立方棱镜2-1，光束经90°转折后，依次进入第二、第三立方棱镜，并由第四立方棱镜转折后进入共光轴系统。

上述第二激光器输出的第二激光λ₂光路上设置有第二立方棱镜2-2，光束经90°转折后，依次进入第三立方棱镜，并由第四立方棱镜转折后进入共光轴系统。

上述第三激光器输出的第三激光λ₃光路上设置有第三立方棱镜2-3，光束经90°转折后，进入第四立方棱镜，并由第四立方棱镜转折后进入共光轴系统。

上述第四激光器输出的第四激光λ₄光路上设置有第四立方棱镜2-4，光束经第四立方棱镜透射后直接进入共光轴系统。

上述四块立方棱镜每块均由一对直角棱镜胶合而成，用于胶合的2块直角棱镜中，其中一块的胶合面（斜面）上分别镀有不同光学性能的薄膜：立方棱镜2-1胶合面镀有1064nm高反射膜，立方棱镜2-2胶合面镀有532高反、1064 nm增透薄膜，立方棱镜2-3胶合面镀有355 nm高反，532 nm、1064 nm增透薄膜，立方棱镜2-4胶合面镀有266 nm增透，1064 nm、532nm、355 nm高反薄膜；用于胶合的每块棱镜直角面均镀有宽带增透膜。

多光路共用一只开关档板3，设置于共用的光轴上，用于控制激光光束的通过与截止。

采用一对可变间距的正透镜4和负透镜5组成的伽利略望远系统构成扩束系统，用于将激光束斑扩大5倍，由于不同波长的焦距不同，因此为保证扩束系统的光学间隔为0，需要根据选取的波长对两透镜的间距进行调整，因此设计了可变间距的透镜组，通过移动步进电机调节负透镜5的位置来实现。从而对于4种波长的激光，都能获得相同的扩束准直效果。

上述位移聚焦透镜8设置于步进电机上，可沿光轴方向移动，补偿不同波长造成的焦距长短差异，保证辐照在样品台测试面上的激光具有相同的离焦量和光斑大小。

开关档板，用于控制激光光束的通过与截止。

扩束系统，用于将激光束束斑扩大，降低单位面积上的光通量，从而增加后续衰减系统的使用寿命。该系统由一对可变间距的正负透镜组成的伽利略望远系统构成，其中负透镜安装在步进电机支架上，正负透镜的间距可以进行轻微调整，以对不同波长激光产生的焦距变化进行补偿，从而对于各种激光，都能获得相同的扩束效果。

衰减系统，用于对入射的激光能量进行衰减，以获得损伤阈值测试过程中需要的能级。该系统由3组衰减盘组成，每个衰减盘上由6片中性密度衰减片组合而成，6片衰减比率各不相同，一共可以进行216种组合，从而可实现能量变化的10个能级水平的衰减。在每块衰减片上镀有宽带增透膜，保证1064 nm、532 nm、355 nm、266 nm波长的激光在衰减片表面的反射率小于0.5%。

第一分束器7和能量计14，共同组成能量探测系统，分束器对测试激光的反射率为1%，可将部分激光反射进入能量计，对每一个实际测试的激光能量进行检测。每一能级10个脉冲能量的均值，作为该能级的激光能量。

聚焦系统，由安装在支架上的正透镜构成，用于对入射激光进行会聚，以便实现样品表面激光辐照测试；该透镜可以在步进电机的驱动下沿着光轴方向移动，由于透镜对不同波长的焦距不同，长波的焦距较长，短波焦距较短，因此采用可位移聚焦透镜来补偿不同波长造成的焦距长短差异，使辐照在样品台测试面上的激光具有相同的离焦量和相同的光斑大小。

束形分析系统，由第二分束器9和光束分析仪13组成，用于检测每束激光的光斑大小和光束质量，分束器的分光比R/T=1%，且其到光束分析仪13的距离与其到样品测试表面的距离共轭，从而保证获得的光斑信息就是样品表面的光斑信息。

所述的样片台由两只步进电机驱动，可在垂直于光轴的平面内二维移动。

光电检测系统，其传感器包括CCD相机10和光纤光谱仪11。测试样品时，需要同时采集两种传感器的信号，判别方法采用了“与”的逻辑关系，即一个方法判别出损伤发生即认为薄膜已经损坏，用来判别薄膜在强激光下是否发生损伤，采用了两种损伤判别方式，一是等离子体光谱法，采用光纤光谱仪来测量薄膜损伤时发生的等离子体闪光现象，根据光谱峰位来判别薄膜是否发生损伤；二是图像法，采用高分辨率的CCD相机对激光辐照前后的元件表面进行检测，同时将CCD相机拍摄的照片传递给计算机，并将结果进行图像处理与分析，依据激光作用前后表面形态的变化判别薄膜是否发生损伤。只要两种信号中任一种判别出薄膜损伤，即认为样品发生了损伤。

计算机控制系统，采集能量及束形分析系统的数据，采集损伤判别系统的数据，驱动激光器、开关挡板、扩束系统、衰减器、聚焦系统及工作台，完成样品的全自动化测试。

一种多光共轴激光损伤阈值测试装置进行损伤阈值测量的方法步骤为：

1）测试系统标定：根据对扩束系统和位移聚焦透镜8精确测量的不同波长的焦距数值，确定每种光束传输时这些元件（正透镜4，负透镜5和聚焦透镜8）在光学系统中的位置，并由计算机15存储；

2）将被测样品安装在样品台12上，保证测试面对着光源方向，并且测试面紧靠夹具定位面；

3）整个系统采用计算机15自动控制，计算机15将指令发送给激光器1-1、1-2、1-3和1-4开始预燃，用户选取激光损伤阈值的检测波长，计算机进行测试系统复位，沿着光轴方向移动负透镜5到预设位置，对选定激光波长下的正、负透镜间距调整；

4）计算机15同时控制位移聚焦透镜8，通过步进电机驱动聚焦透镜沿着光轴方向移动，将聚焦透镜放置在预设的位置；

5）采用激光器的泵浦灯来控制激光脉冲输出，激光辐照前，CCD相机10先采集样品表面的图像信息，然后用脉冲激光对样品进行辐照，同时用光纤光谱仪11采集等离子光谱信息，辐照完成后，再次采集样品表面的图像信息，计算机实时对采集的数据进行分析，以判断样品表面是否发生损伤；

6）通过样品台12将样品移动一个步距，重复上述第5步的测试过程，并依据ISO21254进行测量，根据事先标定的衰减片组合，调节衰减器以保证输出的激光能量符合要求，当激光脉冲发出后，能量计14及光束分析仪13实时记录当前脉冲的能量和光斑大小，并反馈给计算机15，如果薄膜表面发生了损伤，则CCD相机采集的图像在薄膜损伤前后将发生变化；光纤光谱仪采集的等离子体光谱将出现特征峰，这一电信号传输给计算机15，计算机进行处理后，触发下一个激光脉冲，重复以上过程进行下一个点的测量，直到完成10个能级100个点的测量，即可拟合出样品的激光损伤阈值；

7）用户选择其他测试波长，重复上述（2）-（6）步，即可完成其他波长激光损伤阈值的测量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多光共轴激光损伤阈值测试装置，包括依次设置于主光轴上的开关挡板（3）、衰减器（6）、第一分束器（7）、位移聚焦透镜（8）、第二分束器（9）、和样品台（12），还包括CCD相机（10）、光纤光谱仪（11）、光束分析仪（13）、能量计（14）和计算机（15），所述的第一分束器（7）上连接有能量计（14），第二分束器（9）上连接有光束分析仪（13），CCD相机（10）、光纤光谱仪（11）、光束分析仪（13）、能量计（14）分别与计算机（15）连接，其特征在于：所述的开关挡板（3）的前端光轴上并列设置有若干条光路，每条光路上依次设置有激光器（1）和立方棱镜（2），每块立方棱镜均由一对直角棱镜胶合而成，每块直角棱镜的直角面上均镀有宽带增透膜，胶合的两块直角棱镜中，其中一块直角棱镜斜面上镀有多层介质膜，可将本光路和上一光路的光束耦合进入主光轴，所述的开关挡板（3）与衰减器（6）之间设置有扩束系统。

2.根据权利要求1所述的一种多光共轴激光损伤阈值测试装置，其特征在于：所述的扩束系统由一对可变间距的正透镜（4）和负透镜（5）组成的伽利略望远系统构成，所述的负透镜（5）设置于步进电机驱动的支架上，可沿光轴方向移动，以对不同光束的焦距差异进行补偿。

3.根据权利要求1或2所述的一种多光共轴激光损伤阈值测试装置，其特征在于：所述的位移聚焦透镜（8）设置于步进电机驱动的支架上，可沿光轴方向移动，补偿不同波长造成的焦距长短差异。

4.根据权利要求3所述的一种多光共轴激光损伤阈值测试装置，其特征在于：所述的样品台（12）通过两只步进电机驱动，在垂直于主光轴的平面内二维移动。

5.根据权利要求1所述的一种多光共轴激光损伤阈值测试装置进行损伤阈值测量的方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

1）测试系统标定：根据扩束系统和位移聚焦透镜（8）精确测量的不同波长的焦距数值，确定每种光束传输时在光学系统中的位置，并由计算机存储；

2）将被测样品安装在样品台（12）上，测试面对着光源方向，并且测试面紧靠夹具定位面；

3）计算机（15）将指令发送给每台激光器开始预燃，用户选取激光损伤阈值的检测波长，计算机进行测试系统复位，沿着光轴方向移动负透镜5到预设位置，对选定激光波长下的正、负透镜间距进行调整；

4）计算机（15）同时控制位移聚焦透镜（8），通过步进电机驱动聚焦透镜沿着光轴方向移动，将聚焦透镜放置在预设的位置；

5）采用激光器的泵浦灯来控制激光脉冲输出，激光辐照前，CCD相机（10）先采集样品表面的图像信息，然后用脉冲激光对样品进行辐照，同时采集等离子光谱信息，辐照完成后，再次采集样品表面的图像信息，计算机实时对采集的数据进行分析，以判断样品表面是否发生损伤；

6）通过样品台（12）将样品移动一个步距，重复上述第5步的测试过程，并依据ISO21254进行测量，根据事先标定的衰减片组合，调节衰减器以保证输出的激光能量符合要求，当激光脉冲发出后，能量计（14）及光束分析仪（13）实时记录当前脉冲的能量和光斑大小，并反馈给计算机（15），如果薄膜表面发生了损伤，CCD相机采集的图像在薄膜损伤前后将发生变化；光纤光谱仪采集的等离子体光谱将出现特征峰，相应的电信号传输给计算机（15），计算机进行处理后，触发下一个激光脉冲，重复以上过程进行下一个点的测量，直到完成10个能级100个点的测量，即可拟合出样品的激光损伤阈值；

7）用户选择其他测试波长，重复上述（2）-（6）步，即可完成其他波长激光损伤阈值的测量。