CN109799074B - 一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置 - Google Patents

一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置，其包括上位机(1)、系统控制器(2)、激光电源(3)、激光器(4)、分光镜A(5)、激光束辐照单元、能量密度标定单元、光学薄膜损伤判识单元、脉宽探测单元(8)和一维运动台(9)；该装置采用由扩束镜、达曼光栅和透镜组成的分束聚焦单元A(501)和分束聚焦单元B(602)来实现对入射激光束均匀分束，单发脉冲实现不少于10个阵列测试点的辐照测量，各聚焦点光场强度分布均匀，各子光束间的能量偏差不大于±1％，在焦平面上各子光斑的排列形式为1×N或N×N，相对于传统的单发脉冲只测量一个测试点，测量周期缩短了十倍以上，能够快速准确地测量出光学薄膜的激光损伤阈值。

Description

一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置
技术领域
本发明涉及一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置，属于激光测试技术领域。
背景技术
光学薄膜是激光器及其应用光学系统中的最薄弱环节。光学薄膜的损伤造成了在其中传输的激光束性能发生变化，破坏了激光束的质量，引起光束相位和波前畸变，甚至会对激光器造成灾难性损坏。
然而，目前关于激光损伤阈值的测量主要是利用激光束直接辐照光学薄膜，激光辐照一次只能测试一个测量点，而1-ON-1、R-ON-1和S-ON-1的测试方法要求同一脉冲能量密度下要辐照不少于10次来获得在该辐照能量密度下的损伤几率，由于激光器输出脉冲之间的能量一致性差，无法满足精确控制同一脉冲能量密度下辐照多个点的要求；而且测量过程往往需要测试数百个点，测量精度低，效率极其低下，无法客观准确地反映出薄膜的激光损伤阈值。
发明内容
为快速准确测量光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值，基于国家标准GB/T16601-1996，本发明提供了一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置，该装置单发脉冲实现不少于10个阵列测试点，每个聚焦点光场强度分布均匀，能够快速准确地测量出光学薄膜的激光损伤阈值。
如附图1所示，本发明提供的一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置包括上位机1、系统控制器2、激光电源3、激光器4、分光镜A5、激光束辐照单元、能量密度标定单元、光学薄膜损伤判识单元、脉宽探测单元8和一维运动台9；
所述的上位机1为工控计算机，向系统控制器2发送控制指令，处理来自系统控制器2的数据信息，数字输出并显示测量结果；
所述的系统控制器2为基于单片机的控制系统，根据上位机1的控制指令触发激光电源3、能量探测器601、图像传感器A604和图像传感器B701工作，控制载物台502作二维平面运动，控制一维运动台9作一维平面运动，将来自能量探测器601的脉冲能量信号、图像传感器A604的光斑图像信号、图像传感器B701的光学薄膜表面图像信号及脉宽探测单元8的脉冲信号传送给上位机1，对激光电源3、能量探测器601和图像传感器A604的触发为同步触发；
所述的激光电源3为脉冲触发式高压电源，分别与系统控制器2和激光器4相连接，在系统控制器2的触发下驱动激光器4工作，根据系统控制器2的触发电平信号电压值来调节激光器4输出的脉冲能量；
所述的激光器4优选毫秒量级、微秒量级、纳秒量级或皮秒量级脉冲宽度的脉冲激光器，输出波长优选1064nm、1050nm、532nm或355nm，重复频率位于1Hz～100Hz间，其发射的激光脉冲用于被测样品的损伤测试；
所述的分光镜A5为表面镀制对45度入射激光波长分光膜的平面镜，与入射激光光路呈45度角放置，反射光和透射光强度比例不小于100:1，反射光用于辐照被测样品，透射光用于辐照能量密度标定；
所述的激光束辐照单元由分束聚焦单元A501和载物台502组成，将来自分光镜A5反射的光分束垂直聚焦在被测样品表面；
所述的能量密度标定单元由分光镜B6、能量探测器601、分束聚焦单元B602、光阑603和图像传感器A604组成，用于标定图像传感器A604探测面和被测样品表面上单个子光斑的能量密度；
所述的分光镜B6为表面镀制对45度入射激光波长分光膜的平面镜，与入射激光光路呈45度角放置，反射光和透射光强度比例不小于9:1，反射光入射到能量探测器601用于脉冲能量标定，透射光用于辐照子光斑尺寸标定；
所述光学薄膜损伤判识单元由成像光学系统7和图像传感器B701组成，用于判断被测样品表面薄膜损伤情况；所述的成像光学系统7为显微光学物镜，放大倍率调节范围为1～10，用于将被测样品表面清晰地成像到图像传感器B701的探测面上；
所述的脉宽探测单元8为高速光电探测器，其上升沿时间的十倍不大于激光器4发射的激光脉冲宽度，用于探测能量探测器601探测面散射的激光脉冲信号，将光信号转换为电信号，并将此电信号传送系统控制器2；
所述的一维运动台9为一维电控运动台，在系统控制器2的控制下带动载物台502作X轴向一维运动，从而实现被测样品在激光束辐照工位与光学薄膜损伤判识工位间切换；
所述的分束聚焦单元A501和分束聚焦单元B602为由扩束镜、达曼光栅和透镜组成的折衍射混合光学系统，透镜焦距不小于40mm，将入射的激光束均匀分束成不少于十束子光束，各子光束在焦平面上具有相同的光斑尺寸，且各子光斑光场强度分布均匀，各子光束间的能量偏差不大于±1％，在焦平面上各子光斑的排列形式优选1×N或N×N，各子光斑直径不大于1mm，且各子光斑间距不小于其直径的五倍；
所述的载物台502为二维电控平面运动台，通过螺钉固定在一维电动运动台9上，在系统控制器2的控制下夹持被测样品作X轴和Y轴二维运动，从而实现被测样品表面不同位置的辐照；
所述的能量探测器601为热释电探测器，最大单脉冲能量测量值不大于30mJ，用于测量来自分光镜B6的激光束脉冲能量，并将测量的激光脉冲能量信息发送系统控制器2；
所述的光阑603为含有小孔的金属薄片，位于分束聚焦单元B602和图像传感器A604之间，固定在图像传感器A604的入口，选择来自分束聚焦单元B602的多个子光束中的一束无损耗通过小孔；
所述的图像传感器A604和图像传感器B701优选CCD相机或CMOS相机，分别将光斑图像信号和薄膜图像信号转换为相应的电子图像信号，并传送给系统控制器2；所述的图像传感器A604的探测面与分束聚焦单元B602的焦平面重合。
本发明内容所依据的测量原理：
上位机1通过系统控制器2向激光电源3、能量探测器601和图像传感器A604同步发送触发信号，激光器4在激光电源3供电的情况下输出激光脉冲，经过分光镜A5分成两束激光，透射光用于能量密度标定，反射光用于辐照被测样品，经过分束聚焦单元A501后在被测样品表面产生1×N或N×N个测试子光斑；通过控制一维运动台9将被测样品切换至光学薄膜损伤判识工位，图像传感器B701获得被测样品表面图像信息并发送给系统控制器2；上位机1根据能量探测器601测量的能量值、分光镜B6的分光比和分束聚焦单元B602的分束数量来确定每个子光束的能量Ei，根据图像传感器A604测量的光斑信息来获得探测面上单个子光斑的面积Si，图像传感器A604探测面上单个子光斑的能量密度为Ei/Si，根据分光镜A5的分光比和分束聚焦单元B602的分束数量来计算出辐照到被测样品表面每个子光斑的能量密度；根据被测样品表面损伤图像信息计算出此次脉冲辐照下薄膜的损伤概率；
上位机1通过改变系统控制器2触发激光电源3的电平信号电压值来调节激光器4输出的脉冲能量，在不同的激光脉冲能量下分别测量被测样品表面不同位置的损伤概率，采用最小二乘法拟合损伤概率曲线，损伤概率曲线与辐照能量密度坐标轴的交点即为激光损伤阈值。
有益效果：本发明采用单发脉冲实现不少于10个阵列测试点的辐照测量，每个聚焦点光场强度分布均匀，相对于传统的单发脉冲只测量一个测试点，测量周期缩短了十倍以上，能够快速准确地测量出光学薄膜的激光损伤阈值。
附图说明
图1是一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置示意图。
图中：1-上位机，2-系统控制器，3-激光电源，4-激光器，5-分光镜A，6-分光镜B，7-成像光学系统，8-脉宽探测单元，9-一维运动台，501-分束聚焦单元A，502-载物台，601-能量探测器，602-分束聚焦单元B，603-光阑，604-图像传感器A，701-图像传感器B。
具体实施方式
实施例1一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置。
如附图1所示，本发明提供的一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置包括上位机1、系统控制器2、激光电源3、激光器4、分光镜A5、激光束辐照单元、能量密度标定单元、光学薄膜损伤判识单元、脉宽探测单元8和一维运动台9；
所述的上位机1为工控计算机，向系统控制器2发送控制指令，处理来自系统控制器2的数据信息，数字输出并显示测量结果；
所述的系统控制器2为基于单片机的控制系统，根据上位机1的控制指令触发激光电源3、能量探测器601、图像传感器A604和图像传感器B701工作，控制载物台502作二维平面运动，控制一维运动台9作一维平面运动，将来自能量探测器601的脉冲能量信号、图像传感器A604的光斑图像信号、图像传感器B701的光学薄膜表面图像信号及脉宽探测单元8的脉冲信号传送给上位机1，对激光电源3、能量探测器601和图像传感器A604的触发为同步触发；
所述的激光电源3为脉冲触发式高压电源，分别与系统控制器2和激光器4相连接，在系统控制器2的触发下驱动激光器4工作，根据系统控制器2的触发电平信号电压值来调节激光器4输出的脉冲能量；
所述的激光器4为毫秒量级、微秒量级、纳秒量级或皮秒量级脉冲宽度的脉冲激光器，输出波长为1064nm、1050nm、532nm或355nm，重复频率位于1Hz～100Hz间，其发射的激光脉冲用于被测样品的损伤测试；
所述的分光镜A5为表面镀制对45度入射激光波长分光膜的平面镜，与入射激光光路呈45度角放置，反射光和透射光强度比例为100:1，反射光用于辐照被测样品，透射光用于辐照能量密度标定；
所述的激光束辐照单元由分束聚焦单元A501和载物台502组成，将来自分光镜A5反射的光分束垂直聚焦在被测样品表面；
所述的能量密度标定单元由分光镜B6、能量探测器601、分束聚焦单元B602、光阑603和图像传感器A604组成，用于标定图像传感器A604探测面和被测样品表面上单个子光斑的能量密度；
所述的分光镜B6为表面镀制对45度入射激光波长分光膜的平面镜，与入射激光光路呈45度角放置，反射光和透射光强度比例为9:1，反射光入射到能量探测器601用于脉冲能量标定，透射光用于辐照子光斑尺寸标定；
所述光学薄膜损伤判识单元由成像光学系统7和图像传感器B701组成，用于判断被测样品表面薄膜损伤情况；所述的成像光学系统7为显微光学物镜，放大倍率调节范围为1～10，用于将被测样品表面清晰地成像到图像传感器B701的探测面上；
所述的脉宽探测单元8为高速光电探测器，其上升沿时间的十倍不大于激光器4发射的激光脉冲宽度，用于探测能量探测器601探测面散射的激光脉冲信号，将光信号转换为电信号，并将此电信号传送系统控制器2；
所述的一维运动台9为一维电控运动台，在系统控制器2的控制下带动载物台502作X轴向一维运动，从而实现被测样品在激光束辐照工位与光学薄膜损伤判识工位间切换；
所述的分束聚焦单元A501和分束聚焦单元B602为由扩束镜、达曼光栅和透镜组成的折衍射混合光学系统，透镜焦距为45mm，将入射的激光束均匀分束成10束、16束或25束子光束，各子光束在焦平面上具有相同的光斑尺寸，且各子光斑光场强度分布均匀，各子光束间的能量偏差为±1％，在焦平面上各子光斑的排列形式为1×10、4×4或5×5，各子光斑直径为0.4mm，且各子光斑间距为2mm；
所述的载物台502为二维电控平面运动台，通过螺钉固定在一维电动运动台9上，在系统控制器2的控制下夹持被测样品作X轴和Y轴二维运动，从而实现被测样品表面不同位置的辐照；
所述的能量探测器601为热释电探测器，最大单脉冲能量测量值为30mJ，用于测量来自分光镜B6的激光束脉冲能量，并将测量的激光脉冲能量信息发送系统控制器2；
所述的光阑603为含有小孔的金属薄片，位于分束聚焦单元B602和图像传感器A604之间，固定在图像传感器A604的入口，选择来自分束聚焦单元B602的多个子光束中的一束无损耗通过小孔；
所述的图像传感器A604和图像传感器B701为CCD相机或CMOS相机，分别将光斑图像信号和薄膜图像信号转换为相应的电子图像信号，并传送给系统控制器2；所述的图像传感器A604的探测面与分束聚焦单元B602的焦平面重合。

Claims (1)

1.一种光学薄膜激光损伤阈值快速测量装置，其特征在于包括上位机(1)、系统控制器(2)、激光电源(3)、激光器(4)、分光镜A(5)、激光束辐照单元、能量密度标定单元、光学薄膜损伤判识单元、脉宽探测单元(8)和一维运动台(9)；
所述的上位机(1)为工控计算机；
所述的系统控制器(2)为基于单片机的控制系统；
所述的激光电源(3)为脉冲触发式高压电源，分别与系统控制器(2)和激光器(4)相连接；
所述的激光器(4)为毫秒量级、微秒量级、纳秒量级或皮秒量级脉冲宽度的脉冲激光器，输出波长为1064nm、1050nm、532nm或355nm，重复频率位于1Hz～100Hz间；
所述的分光镜A(5)为表面镀制对45度入射激光波长分光膜的平面镜，与入射激光光路呈45度角放置，反射光和透射光强度比例不小于100:1；
所述的激光束辐照单元由分束聚焦单元A(501)和载物台(502)组成；
所述的能量密度标定单元由分光镜B(6)、能量探测器(601)、分束聚焦单元B(602)、光阑(603)和图像传感器A(604)组成；
所述的分光镜B(6)为表面镀制对45度入射激光波长分光膜的平面镜，与入射激光光路呈45度角放置，反射光和透射光强度比例不小于9:1；
所述光学薄膜损伤判识单元由成像光学系统(7)和图像传感器B(701)组成；所述的成像光学系统(7)为显微光学镜头，其放大倍率调节范围为1～10；
所述的脉宽探测单元(8)为高速光电探测器，其上升沿时间的十倍不大于激光器(4)发射的激光脉冲宽度；
所述的一维运动台(9)为一维电控运动台；
所述的分束聚焦单元A(501)和分束聚焦单元B(602)为由扩束镜、达曼光栅和透镜组成的折衍射混合光学系统，透镜焦距不小于40mm；
所述的载物台(502)为二维电控平面运动台，通过螺钉固定在一维电动运动台（9）上；
所述的能量探测器(601)为热释电探测器，最大单脉冲能量测量值不大于30mJ；
所述的光阑(603)为含有小孔的金属薄片，位于分束聚焦单元B(602)和图像传感器A(604)之间，固定在图像传感器A(604)的入口；
所述的图像传感器A(604)和图像传感器B(701)为CCD相机或CMOS相机，图像传感器A(604)的探测面与分束聚焦单元B(602)的焦平面重合。
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