CN110161041A - 一种在线监测激光损伤时刻的测试装置 - Google Patents

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王耀德
刘倡
王頔
张巍
马遥
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金光勇
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Abstract

本发明公开了一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，主要包括：靶材固定系统、激光损伤时刻监测系统和损伤用激光器系统。其中激光损伤时刻监测系统包括聚焦透镜一、聚焦透镜二、激光扩束镜、指示光激光器、双色反射镜、窄带滤光片、聚焦透镜三、光电探测器、前放及比较电路、计时计算机、显示器和照明激光器。本发明公开的一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，既适用于连续激光损伤时刻的判定，也适用于单脉冲激光1‑on‑1模式、高重频激光、脉冲串激光S‑on‑1激光模式损伤时刻的判定，且该装置可以实现皮秒级时间分辨的激光损伤时刻判定。

Description

一种在线监测激光损伤时刻的测试装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体的说是涉及一种激光损伤阈值测试过程中的非接触在线测试系统。
背景技术
随着激光技术的发展，大能量脉冲激光、高功率连续激光、高重频准连续激光越来越成为加工行业的宠儿，其应用领域越来越宽。在激光领域，特别是高能激光领域，一个重要的因素是光学元件是否能够承受强激光辐射；在激光加工领域，材料的激光损伤阈值决定了加工激光参数的选择。因此，在激光应用中，如何在线、迅速、准确地判定脉冲激光的激光损伤阈值、连续激光和超连续激光的损伤时刻，一直是激光与物质相互作用领域的主要研究内容之一。
对于激光损伤的测试，国际上颁布了ISO-11254-1(激光和激光设备光学表面激光导致损伤阀值的测定第1部分：1-on-1试验)和ISO 11254-2(测定的光学表面的激光诱导损伤阈值第2部分：S-ON-1试验)，对激光损伤的判定进行了规范。标准中规定使用100-150倍的显微镜对激光辐照后的光学元件和光学薄膜进行观察，以判断是否发生损伤。1996年，我国行业研究者，综合了上述两个国际标准，颁布了国家标准GB/T16601-1996(光学表面激光损伤阈值测试方法第1部分：1对1测试)，该标准规定了对激光损伤的检测，是在激光辐照前后，各测试点均应用微分相衬显微镜检测其表面，其放大倍率不小于150倍。上述这些方法，存在很多弊端：
(1)只适合于小块、薄样品激光损伤的测试；
(2)属于事后测试，激光辐照后，将样品拿下来进行测试。同时需要对激光损伤区域进行事先标记；
(3)只适合于脉冲激光或者固定功率和辐照时间的连续激光和超连续激光，无法实现连续激光和超连续激光损伤时刻的判定；
(4)采用人工方式，会带来很多不确定性因素。首先频繁使样品往来于损伤测试靶台和显微镜载物台，样品表面会带来划伤，同时劳动强度大，浪费人力；其次，要在100-150倍的显微镜下观察，区域小，事先标记和损伤点寻找、对准难度大；人工主观评判激光损伤及其程度，主观性强，因人而异。
因此，基于上述测试方法存在的问题，国内的许多研究者，根据各自的需求，发展了很多测试方法。1996年，中科院上海光机所报道了基于诺曼斯基偏光干涉仪和CCD相机的判断光学材料破坏方法；1998年，又报道了基于He-Ne激光器、刀口仪、光电二极管和示波器的激光损伤判定方法。2004年，国防科技大学报道了基于高速PIN光电探测器和示波器，实时监测透射光脉冲和经过延时的散射光脉冲，通过透射光脉冲的畸变，作为透明材料损伤判断的依据。2010年，西北工业大学分析了影响前向散射法判断光学薄膜损伤的因素。2014年，西北工业大学提出了声学法判别薄膜损伤的研究方法。2016年，南京理工大学提出了基于光纤光谱仪探测激光诱导等离子体来判别脉冲激光对目标的损伤。2018年，长春理工大学报道了基于CCD成像的薄膜损伤判别方法。
上述这些方法，对于脉冲激光损伤、固定功率和时间条件下的连续和超连续激光的损伤，完全适合，但是无法适用于长脉冲激光、连续激光和超连续激光损伤时刻的判据。
因此，如何提供一种在线监测激光损伤时刻的测试装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，既适用于连续激光损伤时刻的判定，也适用于单脉冲激光1-on-1模式、高重频激光、脉冲串激光S-on-1激光模式损伤时刻的判定；既适用于透明材料损伤时刻的测试，也适用于非透明材料损伤时刻的测试，且可以实现纳秒级时间分辨的激光损伤时刻判定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，包括：靶材固定系统、激光损伤时刻监测系统和损伤用激光器系统；
所述靶材固定系统包括靶材固定装置和控制靶材位置的三维调整机构，所述靶材固定装置用于固定所述靶材；
所述损伤用激光器系统包括损伤激光聚焦系统、激光扩束系统、损伤用激光器以及瞄准激光器，所述瞄准激光器和所述损伤激光器同轴，且所述瞄准激光器发出的瞄准激光以及所述损伤用激光器发出的损伤激光指示光依次经过所述激光扩束系统和所述损伤激光聚焦系统聚焦到所述靶材的同一点上；
所述激光损伤时刻监测系统包括聚焦透镜一、聚焦透镜二、激光扩束镜、指示光激光器、双色反射镜、窄带滤光片、聚焦透镜三、光电探测器、前放及比较电路、计时计算机、显示器和照明激光器；所述指示光激光器发出的指示光经所述激光扩束镜调整到合适宽度后，再依次经过所述双色反射镜、所述聚焦透镜二和所述聚焦透镜一聚焦到所述靶材的激光损伤区域，且与所述损伤用激光器发出的损伤激光指示光重合；所述照明激光器发出的照明激光与所述损伤用激光器发出的损伤激光指示光重合；
从所述靶材到所述光电探测器的光路轴线之间依次设置有所述聚焦透镜一、所述聚焦透镜二、所述双色反射镜、所述窄带滤光片和所述聚焦透镜三；
所述损伤用激光器的电源与所述计时计算机连接，且所述光电探测器、所述前放及比较电路、所述计时计算机和所述显示器依次电连接。
进一步，所述指示光激光器为发散角为mrad量级的连续可见光激光器，其发出的指示光经所述激光扩束镜后为具有更小发射角的类平行光。
进一步，所述照明激光器为可见光激光器，其波长与所述指示光激光器的波长不同。
进一步，所述双色反射镜与所述光路轴线成45°角，所述双色反射镜的膜系对所述指示光激光器发出的指示光全反射或大部分反射，且对所述照明激光器的照明激光全透射。
进一步，所述窄带滤光片的波段与所述照明激光器的波长相匹配。
进一步，所述光电探测器为响应速度为纳秒或者皮秒的PIN二极管或者APD光电二极管。
进一步，所述前放及比较电路具有纳秒或者皮秒级高速响应特性，根据所述照明激光器的照明激光散射光信号给出高电平信号或低电平信号。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，工作中，该装置将指示光、照明激光与损伤激光共点，之后损伤激光辐照靶材的同时给计时计算机触发信号，当靶材损伤时，靶材表面的损伤点将引起照明激光散射特性的变化，光电探测器通过光电变换，将变化的激光散射特性信息送至计时计算机中，计时计算机根据激光辐照的起始时间和引起照明激光散射特性变化的时间间隔，给出一定功率激光辐照靶材下，使其损伤的时刻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的在线监测激光损伤时刻的测试装置整体结构示意图。
图2附图为本发明提供的激光损伤时刻监测系统具体结构图。
图3附图为本发明提供的损伤用激光器系统具体结构图。
其中，各部分表示：
100、靶材固定系统，200、激光损伤时刻监测系统，201、聚焦透镜一，202、聚焦透镜二，203、激光扩束镜，204、指示光激光器，205、双色反射镜，206、窄带滤光片，207、聚焦透镜三，208、光电探测器，209、前放及比较电路，210、计时计算机，211、显示器，212、照明激光器，300、损伤用激光器系统，301、损伤激光聚焦系统，302、激光扩束系统，303、损伤用激光器，304、瞄准激光器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，结合附图1-3，包括：靶材固定系统100、激光损伤时刻监测系统200和损伤用激光器系统300；
靶材固定系统100包括靶材固定装置和控制靶材位置的三维调整机构，靶材固定装置用于固定靶材；
损伤用激光器系统300包括损伤激光聚焦系统301、激光扩束系统302、损伤用激光器303以及瞄准激光器304，瞄准激光器304和损伤激光器303同轴，且瞄准激光器304发出的瞄准激光以及损伤用激光器303发出的损伤激光指示光依次经过激光扩束系统302和损伤激光聚焦系统301聚焦到靶材的同一点上；需要说明的是，损伤用激光是近红外波段，不可见，强度较高；而瞄准激光为可见光，强度较小，二者同轴，实现指哪打哪。
激光损伤时刻监测系统200包括聚焦透镜一201、聚焦透镜二202、激光扩束镜203、指示光激光器204、双色反射镜205、窄带滤光片206、聚焦透镜三207、光电探测器208、前放及比较电路209、计时计算机210、显示器211和照明激光器212；指示光激光器204发出的指示光经激光扩束镜203调整到合适宽度后(此时的宽度取决于双色反射镜205和聚焦透镜一201与聚焦透镜二202的几何尺寸)，再依次经过双色反射镜205、聚焦透镜二202和聚焦透镜一201聚焦到靶材的激光损伤区域，且与损伤用激光器303发出的损伤激光指示光重合；调整照明激光器212的角度，使照明激光器212发出的照明激光与损伤用激光器303发出的损伤激光指示光重合，实现系统瞄准；
其中，损伤用激光器303的电源与计时计算机210连接，且光电探测器208、前放及比较电路209、计时计算机210和显示器211依次电连接；从靶材到光电探测器208的光路轴线之间依次设置有聚焦透镜一201、聚焦透镜二202、双色反射镜205、窄带滤光片206和聚焦透镜三207。
为进一步优化上述技术方案，指示光激光器204为连续的可见光激光器，其出射光发射角较小，一般为mrad量级，经激光扩束镜203后为具有更小发射角的类平行光。发散角在几个mrad量级，不同的激光器发散角各异。
为进一步优化上述技术方案，照明激光器212为可见光激光器，其波长与指示光激光器的波长不同。
为进一步优化上述技术方案，双色反射镜205与光路轴线成一定角度，双色反射镜的膜系对指示光激光器204发出的指示光全反射或大部分反射，且对照明激光器212的照明激光全透射。
为进一步优化上述技术方案，窄带滤光片206的波段与照明激光器的波长相匹配，且宽带尽可能小。
为进一步优化上述技术方案，光电探测器208为响应速度为纳秒或者皮秒的PIN二极管或者APD光电二极管，前放及比较电路209具有高速响应特性，能够根据照明激光器的照明激光散射光信号给出高电平信号或低电平信号，以标识靶材表面的激光损伤时刻。
本发明在线检测过程为：首先需要将损伤用激光器303、瞄准激光器304、指示光激光器204以及照明激光器212发出的四类光在靶材上共点；然后关闭瞄准激光器304，此时损伤用激光器303辐照靶材，同时激光器电源发出触发信号给计时计算机210，开始计时，直到靶材表面出现损伤，引起照明激光器212发出的照明激光的散射波变化，经聚焦透镜一201、聚焦透镜二202、双色反射镜205、窄带滤光片206和聚焦透镜三207后，使光电探测器208转换的电信号电平改变，使前放及比较电路209给出高或低电平，触发计时计算机210，从而标识靶材表面的激光损伤时刻，并结合计时时刻，计算靶材的激光辐照时间，并在显示装置211给出计时结果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，其特征在于，包括：靶材固定系统(100)、激光损伤时刻监测系统(200)和损伤用激光器系统(300)；
所述靶材固定系统(100)包括靶材固定装置和控制靶材位置的三维调整机构，所述靶材固定装置用于固定所述靶材；
所述损伤用激光器系统(300)包括损伤激光聚焦系统(301)、激光扩束系统(302)、损伤用激光器(303)以及瞄准激光器(304)，所述瞄准激光器(304)和所述损伤用激光器(303)同轴，且所述瞄准激光器(304)发出的瞄准激光以及所述损伤用激光器(303)发出的损伤激光指示光依次经过所述激光扩束系统(302)和所述损伤激光聚焦系统(301)聚焦到所述靶材的同一点上；
所述激光损伤时刻监测系统(200)包括聚焦透镜一(201)、聚焦透镜二(202)、激光扩束镜(203)、指示光激光器(204)、双色反射镜(205)、窄带滤光片(206)、聚焦透镜三(207)、光电探测器(208)、前放及比较电路(209)、计时计算机(210)、显示器(211)和照明激光器(212)；所述指示光激光器(204)发出的指示光经所述激光扩束镜(203)调整到合适宽度后，再依次经过所述双色反射镜(205)、所述聚焦透镜二(202)和所述聚焦透镜一(201)聚焦到所述靶材的激光损伤区域，且与所述损伤用激光器(303)发出的损伤激光指示光重合；所述照明激光器(212)发出的照明激光与所述损伤用激光器(303)发出的损伤激光指示光重合；
从所述靶材到所述光电探测器(208)的光路轴线之间依次设置有所述聚焦透镜一(201)、所述聚焦透镜二(202)、所述双色反射镜(205)、所述窄带滤光片(206)和所述聚焦透镜三(207)；
所述损伤用激光器(303)的电源与所述计时计算机(210)连接，且所述光电探测器(208)、所述前放及比较电路(209)、所述计时计算机(210)和所述显示器(211)依次电连接。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，其特征在于，所述指示光激光器(204)为发散角为mrad量级的连续可见光激光器，其发出的指示光经所述激光扩束镜(203)后为具有更小发射角的类平行光。
3.根据权利要求2所述的一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，其特征在于，所述照明激光器(212)为可见光激光器，其波长与所述指示光激光器(204)的波长不同。
4.根据权利要求3所述的一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，其特征在于，所述双色反射镜(205)与所述光路轴线成45°角，所述双色反射镜(205)的膜系对所述指示光激光器(204)发出的指示光全反射或大部分反射，且对所述照明激光器(212)的照明激光全透射。
5.根据权利要求3所述的一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，其特征在于，所述窄带滤光片(206)的波段与所述照明激光器(212)的波长相匹配。
6.根据权利要求1所述的一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，其特征在于，所述光电探测器(208)为响应速度为纳秒或者皮秒的PIN二极管或者APD光电二极管。
7.根据权利要求3所述的一种在线监测激光损伤时刻的测试装置，其特征在于，所述前放及比较电路(209)具有纳秒或者皮秒级高速响应特性，根据所述照明激光器(212)的照明激光散射光信号给出高电平信号或低电平信号。
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