CN109900737A - 基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置及方法，首先利用泵浦激光辐照样品，达到稳态后利用红外热像仪记录样品表面最高温度，并利用泵浦光功率计测试样品的反射和透射功率；第二步，利用探测激光器(CO2激光器，光斑尺寸与泵浦激光光斑大小相同)辐照样品表面，一般CO2对于介质膜等光学元件吸收率为1，逐渐增加探测激光功率使得样品表面温度达到第一次测试的温度，此时读取探测光功率计中的功率；最后利用探测光功率计的读数比上样品的反射与透射功率之和，即为样品表面的弱吸收率。本发明主要利用一般光学元件对CO2激光的吸收率为1，样品在泵浦光辐照下的温度特性来测试表面的弱吸收率，相比现有的技术测试不仅精度高而且操作更加简单、方便，不需要后期数据处理。

Description

基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置及方法
技术领域
本发明属于光学元件吸收率的测试领域，具体为一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置及方法。
背景技术
随着激光功率的不断提高，对激光薄膜以及各种光学元件的质量要求越来越高，在强激光辐照下，光学元件微弱的吸收会引起光学元件表面的损伤。因而有必要对光学薄膜的平均吸收率进行精确、快速、实时的检测，以为光学薄膜吸收损耗的降低、损伤阈值的提高以及高质量的制备提供重要的理论依据。
对于光学薄膜吸收率的测试技术主要有：光热辐射技术，激光量热技术、表面热透镜技术、光声光谱技术和光热偏转技术，其中应用最多的为光热偏转技术以及表面热透镜技术。光热偏转技术测试精度取决于探测光斑和泵浦光的相对位置，因此调节比较困难，而且系统稳定性较差。表面热透镜技术主要利用泵浦光加热样品表面，使样品表面形成热透镜区域，再利用探测激光辐照热畸变区域，利用探测器接收畸变区域反射的探测激光，并通过后期处理探测激光信号的波前反推得到样品表面的吸收率。透射式光热偏转技术和热透镜技术都无法测试不透明材料的吸收，而且吸收率都为间接测试的结果，中间的数据处理环节具有较强的随机误差，导致测试精度有限。
发明内容
本发明在于克服现有的间接测试技术的缺陷，提出一种结构简单、测试精度较高的直接检测光学元件弱吸收的装置及方法。等效温度的思想，当泵浦激光与探测激光的功率分布以及光斑大小相同时，利用稳态温度来判定吸收样品吸收功率的多少。样品表面温升越高，测量误差越小，则弱吸收测试精度越高。
本发明的技术方案为：
一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置，其特点在于：包括泵浦激光器、第一反射镜、第二反射镜、第一泵浦光功率计、第二泵浦光功率计、红外热像仪、探测激光器、分束镜和探测光功率计；
所述的泵浦激光器输出的激光经过第一反射镜反射后到达样品表面，经样品反射的反射光入射到第二反射镜，经该第二反射镜反射后由第一泵浦光功率计接收，经样品透射的激光由第二泵浦光功率计接收；
所述的第一泵浦光功率计用于测试样品表面反射的泵浦激光功率；
所述的第二泵浦光功率计用于测试通过样品的透射泵浦激光功率；
所述的探测激光器输出的激光经所述的分束镜1:1分束，分为透射光和反射光，该反射光由所述的探测光功率计接收并测量，该透射光入射到样品表面，上述反射光的功率与样品表面的辐照功率相等；
所述的红外热像仪用于观测样品表面的温度泵浦激光器输出的激光经过反射镜反射后到达样品表面，加热样品并使其温度升高，泵浦光功率计主要用于测试透射和反射的泵浦激光功率；探测激光发射的激光经过分束镜后分别入射到探测光功率计和样品表面；分束镜反射和透射功率比为1:1，所以探测光功率计主要用于实时观测样品表面的辐照功率；红外热像仪主要用于观测样品表面的最高温度。
探测激光使用CO2激光器，其输出光的波长为10.6um，泵浦激光的半径与探测激光的光斑半径相同，其强度分布都为高斯分布；
分束镜对探测激光的功率进行1:1的分束，利用探测光功率计可以实时监控光栅表面辐照功率；
一种基于等效温度的光学元件弱吸收的测试的方法，其特点在于：包括如下步骤：
①打开泵浦激光器，使输出的泵浦激光经第一反射镜反射后辐照样品表面；
②加热样品，使其表面温度升高，待温度稳定后，利用红外热像仪测试样品表面的最高温度T，并记录下第一泵浦光功率计测试的反射功率P1与第二泵浦光功率计测试的透射功率P2；
③将样品冷却至室温，打开探测激光器使输出的激光经分束镜透射后辐照样品表面；
④调节探测激光的辐照功率，当样品表面温度到达泵浦激光辐照下的温度T时，读取探测光功率计的功率P3；
⑤计算样品表面弱吸收率S，公式如下：
S＝P3/(P1+P2)。
待测试的光学件必须对10.6um的激光吸收率近似为1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
测试光路结构简单，实验操作方便快捷；样品表面的弱吸收率可根据实验数据直接计算得到，所以测试精度较高；当样品满足对探测光吸收为1时，改变泵浦光波长可以测试样品表面不同波长的弱吸收率，所以本发明测试的波长范围较大。
附图说明
图1：本发明的结构组成示意图
其中：泵浦激光器1、反射镜2和3、泵浦光功率计4和5、红外热像仪7、探测激光器10、分束镜8以及探测光功率计9。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体描述本发明：
针对现有薄膜吸收测试技术中结构复杂、后期数据处理误差较大、测试效率低等存在的问题，本发明提出一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置及方法。
基于等效温度的原理：对于连续激光，当样品表面向内热流以及边界条件相同时，光栅表面温升相同；10.6um的CO2激光器，介质薄膜、石英等材料对该波长的吸收均为1，其作为探测激光有利于计算样品表面吸收的功率；对于1064nm的连续激光(以该波长为例)，只有被表面吸收的功率会加热样品，利用1064nm激光和10.6um激光的对样品的热效应相同提出了等效温度的测试方法；当激光半径、强度分布相同时，相同温升的样品表面吸收的功率相同，所以10.6um激光辐照的功率比上1064nm激光的功率得到样品表面的吸收率。
该测试方法的缺点也显而易见：只适合测试样品对连续或者准连续激光的吸收率；该测试方法适用的样品种类较多：光栅、光学薄膜、基底等各式光学元件；如果需要测试不同波长的吸收率，仅需要改变泵浦激光的波长即可。
如图1所示，基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置，包括泵浦激光器1、反射镜2和3、泵浦光功率计4和5、红外热像仪7、探测激光器10、分束镜8以及探测光功率计9；泵浦激光器输出的激光经过反射镜反射后到达样品表面，加热样品并使其温度升高，泵浦光功率计主要用于测试样品透射和反射的泵浦激光功率；探测激光发射的激光经过分束镜后分别入射到探测光功率计和样品表面；分束镜反射和透射功率比为1:1，所以探测光功率计主要用于实时观测样品表面的辐照功率；红外热像仪主要用于观测样品表面的最高温度。
利用上述装置进行薄膜弱吸收测试方法过程为：首先利用泵浦激光辐照样品表面，加热样品使其表面温度升高，待温度稳定后利用红外热像仪测试样品表面的最高温度并记录下样品透射和反射的泵浦激光功率；第二步，样品冷却至室温之后利用探测激光(CO2激光器)辐照样品表面，调节探测激光的辐照功率，当样品表面温度到达泵浦激光辐照下的温度时，读取探测光功率计中的读数；最后利用探测光功率计中的读数功率比上样品透射与反射的泵浦激光功率之和，即为样品表面弱吸收率。

Claims (7)

1.一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置，其特征在于：包括泵浦激光器(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第一泵浦光功率计(4)、第二泵浦光功率计(5)、红外热像仪(7)、探测激光器(10)、分束镜(8)和探测光功率计(9)；
所述的泵浦激光器(1)输出的激光经过第一反射镜(2)反射后到达样品(6)表面，经样品(6)反射的反射光入射到第二反射镜(3)，经该第二反射镜(3)反射后由第一泵浦光功率计(4)接收，经样品(6)透射的激光由第二泵浦光功率计(5)接收；
所述的第一泵浦光功率计(4)用于测试样品表面反射的泵浦激光功率；
所述的第二泵浦光功率计(5)用于测试通过样品的透射泵浦激光功率；
所述的探测激光器(10)输出的激光经所述的分束镜(8)1:1分束，分为透射光和反射光，该反射光由所述的探测光功率计(9)接收并测量，该透射光入射到样品(6)表面，上述反射光功率与样品表面的辐照功率相等。
所述的红外热像仪(7)用于观测样品(6)表面的温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置，其特征在于：所述的探测激光器(10)为CO2激光器，输出光的波长为10.6um。
3.根据权利要求1所述的一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置，其特征在于：所述的泵浦激光器(1)输出的光的波长为1064nm，可以根据测试需求改变，光斑半径与探测光半径相同，两者强度分布为都为高斯分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置，其特征在于：所述的红外热像仪(7)的分辨率为0.1～0.2℃，可替换成不影响测试的其他测温装置。
5.根据权利要求1所述的一种基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置，其特征在于：所述的分束镜(8)将探测激光的功率1:1分束，结合探测光功率计可以实时监控光栅表面探测光的辐照功率。
6.一种利用权利要求1-5任一所述的光学元件弱吸收测试装置进行光学元件弱吸收的测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①打开泵浦激光器(1)，使输出的泵浦激光经第一反射镜(2)反射后辐照样品(6)表面；
②加热样品(6)，使其表面温度升高，待温度稳定后，利用红外热像仪(7)测试样品(6)表面的最高温度T，并记录下第一泵浦光功率计(4)测试的反射功率P1与第二泵浦光功率计(5)测试的透射功率P2；
③将样品(6)冷却至室温，打开探测激光器(10)，使输出的激光经分束镜(8)透射后辐照样品(6)表面；
④调节探测激光的辐照功率，当样品表面温度到达泵浦激光辐照下的温度T时，读取探测光功率计(9)的功率P3；
⑤计算样品表面弱吸收率S，公式如下：
S＝P3/(P1+P2)。
7.根据权利要求6所述的光学元件弱吸收测试方法，其特征在于：所述的样品(6)对10.6um的激光吸收率近似为1。
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