CN110736561B - 高功率激光系统中反射光学元件的制备及其测温方法 - Google Patents

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Abstract

一种高功率激光系统中反射光学元件的制备及其测温方法，反射光学元件的制备包括步骤：在基底材料上利用磁控溅射镀制一层VO2相变薄膜；在VO2相变薄膜上镀制高反膜。由于VO2的相变特性，反射光学元件的透过率会随温度发生变化，高功率激光系统中测温方法包括利用接触式测温的方法测试反射光学元件在某一波长处透过率随温度变化的曲线；高功率激光系统中，增加该波长的探测激光入射至反射光学元件表面的辐照区域，并利用功率计测试探测激光的透过率；结合上述透过率随温度变化曲线利用透射率计算光学元件的表面温度。本发明相比红外热像仪测温的方法不仅成本较低，而且可以高精度的测试光学元件表面微米深度的温度变化。

Description

高功率激光系统中反射光学元件的制备及其测温方法
技术领域
本发明属于高功率激光系统中非接触式测温领域，具体为一种高功率激光系统中反射光学元件的制备及其测温方法。
背景技术
高功率光纤激光器的高速发展使其在材料加工、医疗以及国家安全等领域中都有着广泛的潜在应用。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的温度升高。因此有必要对光学元件的温度变化进行精确、实时的监测，以确保光学元件在高功率系统中避免被打坏。
目前在高功率激光系统中对光学元件的温度测试主要利用红外热像仪进行测试。红外热像仪通过探测光学元件温度升高后表面辐射的红外光强度间接计算光学元件表面的温度，测试结果主要受到环境温度、湿度、测试距离、材料表面的辐射率等参数的影响较大，其中表面辐射率与材料的表面形貌结构、粗糙度等参数有关，所以其测试数据存在一定误差。若测试不同光学元件的表面温升，其测试结果不具有横向对比性，而且工业级红外热像仪的价格普遍在20万以上，所以这种测温方法的成本较高。
发明内容
本发明在于克服现有的红外热像仪测试的缺点，提出一种反射光学元件的制备及其在高功率激光系统中的测温方法。VO2相变材料其透过率随温度变化，利用这一特性将VO2薄膜镀制在反射光学元件高反膜的底层，既不影响其光学特性，又能够提高测试温度的精度。
本发明提出了高功率激光系统中反射光学元件的制备方法，该方法包含如下步骤：
第一步在基底材料上利用磁控溅射镀制一层厚度为50-70nm的VO2相变薄膜；
第二步在VO2相变薄膜上镀制高反膜可以制成反射镜，若在高反膜上刻蚀光栅即可制备反射式光栅；
基底上镀制的VO2薄膜具有相变特性，薄膜的厚度大于50nm就会出现明显的相变特性，同时，基底上镀制的VO2薄膜厚度不能太厚，厚度增加后表面粗糙度随之增加，影响后续镀膜的结合强度；VO2薄膜上只能用于介质膜的反射光学元件，因为VO2薄膜对于介质薄膜的结合力较好，不会导致介质薄膜的脱落或者断裂；利用VO2薄膜测温的方法只适用于反射光学元件，因为反射光学元件的薄膜底层电场分布很弱，VO2薄膜不会影响反射光学元件的光学性质。
本发明还提出了高功率激光系统中反射光学元件测温方法，该方法包括如下步骤：
第一步选取某一波长的激光器作为探测激光，利用接触式测温的方法测试该反射光学元件在升温过程中的透过率随温度变化，并绘制其透过率变化的曲线；
第二步高功率激光系统中，利用上述探测激光入射至光学元件表面高功率激光辐照区域，功率计测试探测激光透过光学元件的功率P1，透过激光功率P1/探测激光功率P0为透射率；
第三步结合上第一步中测试的透过率随温度变化的曲线，利用探测光透射率反推光学元件表面的温度。
探测激光波长的选取主要依据两点：1VO2具有相变特性的波段；2反射光学元件的在该波长处透过率较高，有利于提高测试精度。
与现有技术相比，本发明的优点是：不仅可以提高温度的测试精度，而且大大降低了测试的成本，防止光学元件在高功率激光系统中发生损伤。
附图说明：
图1为本发明高功率激光系统中反射光学元件的制备的流程图；
图2为实施例中测试的反射光学元件在1550nm处透过率随温度变化的曲线；
图3为实施例高功率激光系统中反射光学元件利用透过率测温的光路图；
图4为实施例中基于VO2相变薄膜测试的反射光学元件表面温度随辐照功率变化曲线；
图3中：光纤激光器1、反射光学元件2、光纤激光功率计3、探测激光4、探测光功率计5。
具体的实施方案
下面结合实例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本实例为高功率激光系统中高反镜的制备及其测温方法，基于VO2相变薄膜高反镜的制备方法包括如下步骤：
第一步在石英基底上利用磁控溅射镀制60nm的VO2相变薄膜；
第二步在VO2薄膜上镀制高反膜，膜系为Glass/4L(HL)^12H4L/Air，其中Class为石英基底，H为Ta2O5、厚度为142.6nm，L为SiO2、厚度203.13nm，膜系设计对1064±10nm的激光45°高反，如下图1所示；
高功率激光系统中，利用透过率测试上述高反镜温度的方法包括如下步骤：
第一步选取探测激光，高反镜的高衍射效率带宽为1064±10nm，所以选取远离该波段的激光作为探测光。本次实例中选取1550nm的激光作为探测激光，利用接触式测温装置测试高反镜在1550nm波长处透过率随温度变化；绘制透过率-温度变化曲线并利用多项式拟合出温度透过率变化函数；温度随透过率变化去曲线如图2所示，散点为实验测试结果，实线为拟合曲线，拟合曲线表达式为：T＝a0+a1*x+a2*x^2+a3*x^3+a4*x^4，T(℃)为温度，X(％)为透过率，系数如下表所示。
拟合系数 a0 a1 a2 a3 a4
取值 188.21346 -8.1566 0.1642 -0.00106 -1.25541E-6
第二步在如图3所示的高功率激光系统中，波长为1064nm的泵浦激光器1以45°入射至高反镜2表面，以45°角反射至功率计3中，功率计3用于吸收泵浦激光功率；利用波长为1550nm的探测激光器3入射至高反镜2表面泵浦光辐照区域，探测光功率计4测试透过高反镜的功率P1，透过高反镜功率P1/探测激光输出功率P0为透射率X；
第三步将上一步中测试的透过率X值代入至第一步拟合的表达式中求出对应的温度，图4即为利用VO2相变薄膜测试的高反镜表面温度随辐照功率变化曲线。

Claims (4)

1.一种高功率激光系统中反射光学元件的制备方法，其特征在于，该制备方法包含如下步骤：
第一步在基底材料上利用磁控溅射镀制一层厚度为50-70nm的VO2相变薄膜；
第二步在所述的VO2相变薄膜上镀制高反膜制成反射镜，所述的高反膜为(HL)^nH的多层膜结构，H、L层的厚度以及周期数n根据高反波段进行优化得到。
2.根据权利要求1所述的高功率激光系统中反射光学元件的制备方法，其特征在于，还包括第三步，在所述的高反膜上刻蚀光栅制得反射式光栅。
3.一种权利要求1或2所述的高功率激光系统中反射光学元件的测温方法，其特征在于，该测温方法包括如下步骤：
第一步选取特定波长的激光器作为探测激光，利用接触式测温的方法测试该反射光学元件在升温过程中的透过率随温度变化，并绘制其温度变化曲线；
第二步在高功率激光系统中，使所述的探测激光入射至反射光学元件表面的高功率激光辐照区域，利用功率计测试所述的探测激光透过反射光学元件的功率P1，并计算探测激光透射率x，公式如下：x＝p1/p0
其中，P0为激光器探测激光的出射功率；
第三步结合温度随透过率变化曲线和探测光透射率x得到反射光学元件的表面温度。
4.根据权利要求3所述的高功率激光系统中反射光学元件的测温方法，其特征在于：所述的探测激光波长的选取应满足VO2相变薄膜具有相变特性的波段和反射光学元件的在该波段处透过率高的条件。
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