CN111474174A - 大口径光学元件损伤密度测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于大口径光学元件损伤密度测试的装置及方法，包括：激光光源、能量调节波片、能量调节棱镜、柱面透镜、第一取样镜、吸收体、光束质量分析仪、第二取样镜、能量计、光电探头、示波器、长焦显微镜、白光照明光源、旋转电机控制器、数据采集卡、供待测大口径光学元件样品放置的三维样品运动电机控制器、显微镜运动电机控制器和计算机。本发明采用了柱面透镜对光束进行聚焦，可以实现较大面积光斑对待测元件的扫描测试，能够提高测试效率和测试准确性。适用于熔石英元件表面损伤密度、晶体体损伤密度、光栅表面损伤密度，或者光学元件膜层表面损伤密度测试中。

Description

大口径光学元件损伤密度测试装置和方法

技术领域

本发明涉及光学元件激光损伤测试领域，特别是一种大口径光学元件损伤密度测试装置和方法。

背景技术

在高功率激光驱动器系统中，激光诱导光学元件损伤已成为限制激光驱动器性能提升和装置稳定运行的关键因素，特别是大口径光学元件由于加工缺陷分布和损伤发生的概率特性等因素，其抗激光损伤性能相较于相同工艺下的小尺寸元件有明显下降。随着激光发次的不断增加，大口径光学元件的损伤数量和损伤尺寸逐渐增长，当总的损伤点遮挡面积达到一定程度时，将会严重降低该元件的光学性能和使用寿命。同时，大口径光学元件的损伤不仅降低输出激光光束质量，而且受调制的激光会对后续光学元件造成损伤威胁，降低系统运行安全性和稳定性。因此，光学元件损伤性能表征和研究是保证光学元件安全寿命和提高系统安全性的重要条件。

在光学元件损伤性能研究中，光学元件损伤密度是不同于损伤阈值和损伤增长的重要参数，是指在某一激光通量下光学元件单位面积或体积内损伤点数量的统计，它符合损伤前体分布随机性和损伤发生概率性的特征。在高功率激光装置运行过程中，结合实际光场分布和光学元件损伤密度测试曲线能够准确地表征大口径光学元件在实际使用过程中的抗损伤性能和负载能力。同时，进一步结合损伤增长情况和运行发次数量可以预测大口径光学元件的使用寿命。

光学元件损伤密度测试是利用某一通量下激光脉冲扫描式辐照元件，对扫描区域内损伤点数量进行统计，单位面积或体积内损伤点数量即为该激光通量下元件的损伤密度。在光学元件损伤密度测试中，通常利用透镜聚焦获得足够高通量的激光光束进行光栅扫描(Raster scan)式辐照待测元件，考虑到测试光束强度分布特点，在Raster scan扫描时令两光束具有一定的空间重叠率来保证待测元件承受相同量级的激光通量。同时，扫描运动步长也会相应的减小，使扫描时间效率大大的降低。因此，对于大口径光学元件损伤密度测试，既要保证足够高的激光通量，又要尽量增加扫描光束尺寸来提高测试效率。

柱面透镜作为一种具有会聚作用的光学元件，其光学特性是光线通过轴向子午线不会出现聚散度的改变，光线通过屈光力子午线会有聚散度的改变，即光束通过柱面透镜将一维会聚成线状像。将其应用到光学元件损伤密度测试中，利用线状光斑进行测试扫描，可以实现一维方向上扫描运动步长的大大提高，同时减小了扫描控制的复杂性及其引入的误差，提高测试效率和准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种大口径光学元件损伤密度测试装置和方法，利用柱面透镜获得一维方向尺寸较大的足够高通量激光光束进行辐照测试，具有损伤密度测试扫描效率高、可实现自动化控制、应用范围广(测试波长范围大、测试元件种类多)等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于大口径光学元件损伤密度测试的装置，其特点在于，包括：激光光源、能量调节波片、能量调节棱镜、柱面透镜、第一取样镜、吸收体、光束质量分析仪、第二取样镜、能量计、光电探头、示波器、长焦显微镜、白光照明光源、旋转电机控制器、数据采集卡、供待测大口径光学元件样品放置的三维样品运动电机控制器、显微镜运动电机控制器和计算机；

激光光源输出光束依次经所述的能量调节波片、能量调节棱镜和柱透镜入射到所述的第一取样镜，经该第一取样镜前表面反射的反射光由所述的光束质量分析仪接收，用于测量光场分布并传输至数据采集卡；经所述的第一取样镜后表面反射的反射光入射到第二取样镜，经该第二取样镜反射的反射光由光电探头接收，该光电探头输出端与所述的示波器的入射端相连，该示波器的输出端与数据采集卡相连；经该第二取样镜透射的透射光由能量计接收，用于测量光束能量，并传输至数据采集卡；经所述的第一取样镜透射的透射光入射到待测大口径光学元件样品的待测试区域，剩余激光被所述吸收体吸收；

所述长焦显微镜移进到所述待测大口径光学元件样品后，利用所述白光照明光源照明，该长焦显微镜由所述的显微镜运动电机控制器控制实现对光学元件不同位置处损伤情况的检测，该显微镜运动电机控制器与所述的计算机相连；

所述激光光源的快门与所述计算机相连实现对激光输出的控制；所述的能量调节波片由所述的旋转电机控制器控制实现测试激光能量的调节，该旋转电机控制器与所述的计算机相连，所述的数据采集卡和三维样品运动电机控制器分别与所述的计算机相连。

所述的待测大口径光学元件由所述的三维样品运动电机控制器控制实现其在空间位置上的移动，该三维样品运动电机控制器与所述的计算机相连。

所述的光束质量分析仪、能量计、示波器和长焦显微镜通过所述的数据采集卡与所述的计算机相连实现相关数据的采集、存储和处理；

所述的柱面透镜具有对入射光束在一维方向上进行会聚的光学特性，使得聚焦到待测光学元件的激光光斑是线状光束，一方面该线状光束具有测试所需的足够高通量，另一方面线状光束具有相对较大的光斑面积，使得测试过程中单次辐照样品的面积提高，可以降低测试过程中扫描点数量和一维方向上的光斑重叠次数，有利于提高大口径光学元件损伤密度扫描测试的时间效率和减少影响测试误差的因素。

一种利用上述装置进行大口径光学元件损伤密度测试的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

1)计算机控制激光光源的快门打开，旋转电机控制器使所述能量调节波片旋转到测试能量输出位置，设置三维样品运动电机控制器水平和竖直方向的运动步长x、y，测试面积D_x×D_y，以及初始测试位置S₁₁，扫描点数M×N，其中M＝D_x/x,N＝D_y/y；

2)所述激光光源输出激光脉冲对待测大口径光学元件样品进行辐照；三维样品运动电机控制器控制样品水平方向依次移动至测试位置S_i1，移动步长为x，其中i＝2,3…M；并在相应测试位置S_i1处进行激光脉冲辐照；

3)三维样品运动电机控制器控制样品竖直方向移动，移动步长为y，测试位置为S_M2；

4)所述激光光源输出激光脉冲对所述待测大口径光学元件样品进行辐照；所述三维样品运动电机控制器控制样品水平方向依次移动至测试位置S_i2，移动步长为x，其中i＝M-1,M-2,…1；并在相应测试位置S_i1处进行激光脉冲辐照；

5)三维样品运动电机控制器控制样品竖直方向移动，移动步长为y，测试位置为S₁₃；

6)重复步骤2)～5)，直到扫描点位置为S_MN；

7)上述步骤2)～6)中，利用光束质量分析仪、能量计、光电探头对激光脉冲的光场分布、能量、时间波形进行测量，并通过所述的数据采集卡保存至所述的计算机；

8)结束激光脉冲辐照，计算机控制所述激光光源的快门关闭；

9)打开白光照明光源对测试样品进行照明，所述长焦显微镜移动至测试样品处；设置显微镜运动电机控制器的水平和竖直方向运动步长X和Y，检测面积D_X×D_Y，以及检测扫描点数K×T，其中K＝D_X/X,T＝D_Y/Y；初始检测位置为P₁₁；

10)利用长焦显微镜对检测位置损伤情况进行成像采集；然后，长焦显微镜水平方向依次移动到位置P_i1，其中i＝2,3…K，移动步长为X；所述长焦显微镜依次对每个位置损伤情况进行成像采集，并保存至所述的计算机；

11)所述长焦显微镜回到检测位置为P₁₁，令所述长焦显微镜在竖直方向移动步长Y，检测位置为P₁₂；然后重复步骤10)；直到完成检测位置P_KT的成像采集；结束损伤检测。

12)所述的显微镜运动电机控制器控制所述长焦显微镜移出至检测前的初始位置。

13)结束。

本发明具有的优点和效果如下：

1.本发明在损伤密度测试装置中采用了柱面透镜对光束进行聚焦，可以实现较大面积光斑对待测元件的扫描测试，能够提高测试效率和测试准确性。

2.本发明适用于熔石英元件表面损伤密度、晶体体损伤密度、光栅表面损伤密度，或者光学元件膜层表面损伤密度测试中。所述的晶体体损伤密度测试中损伤检测通过设置所述的三维样品运动电机的Z方向位置实现所述的长焦显微镜对晶体内部不同截面的损伤情况对焦成像，叠加计算待测区域内不同截面内损伤点总数量来实现损伤密度的统计。

3.本发明适用于脉冲宽度范围在百飞秒到几纳秒、波长范围在350nm至1100nm的激光诱导元件损伤测试中。

4.本发明通过计算机控制实现自动化，对所述激光光源、旋转电机控制器、数据采集卡、三维样品运动电机控制器和显微镜运动电机控制器进行控制，实现对激光输出频率、测试激光能量调节、数据自动采集和存储、待测样品三维移动参数的控制，以及激光辐照后的光学元件损伤检测及损伤数据处理。

附图说明

图1是本发明大口径光学元件损伤密度测试装置的光路示意图；

图中：1-激光光源，2-能量调节波片，3-能量调节棱镜，4-柱面透镜，5-第一取样镜，6-待测大口径光学元件样品，7-吸收体，8-光束质量分析仪,9-第二取样镜，10-能量计，11-光电探头，12-示波器，13-长焦显微镜，14-白光照明光源，15-旋转电机控制器，16-数据采集卡，17-三维运动电机控制器，18-显微镜运动电机控制器，19-计算机。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

对于高功率激光驱动系统中的大口径光学元件，其表面或体内损伤密度可以更准确地表征该光学元件的抗激光损伤性能。目前，为了获得测试所需足够高的激光通量密度，损伤密度测试通常利用透镜聚焦后的光斑对待测光学元件进行扫描式辐照实现损伤密度测试，且扫描光斑之间具有一定的重叠率来保证待测区域内元件承受的激光通量在相同量级。打靶光斑尺寸(1/e²直径)通常在百微米到毫米量级，对于尺寸大于300mm的大口径光学元件，进行全口径内损伤密度测试将需要大量的激光发次，时间效率较低；同时光束两维方向上的多次重叠也增加了扫描控制难度和测试误差。

柱透镜具有在轴向子午线方向光束不会出现会聚、而在屈光力子午线方向光束会聚的光学特性。一定能量激光光束经过柱透镜聚焦入射到待测光学元件表面，一方面在一维方向上压缩光束尺寸产生足够高的激光通量密度进行损伤密度测试，另一方面测试光斑在另外一维方向上尺寸较大，可以实现单发次辐照元件较大面积的测试，降低了对激光发次数量的要求和一维方向上光斑重叠次数，既提升了大口径元件损伤密度测试的时间效率，又减小了测试误差。

如图1所示，是本发明大口径光学元件损伤密度测试装置，装置包括：激光光源1、能量调节波片2、能量调节棱镜3、柱面透镜4、第一取样镜5、待测大口径光学元件样品6、吸收体7、光束质量分析仪8、第二取样镜9、能量计10、光电探头11、示波器12、长焦显微镜13、白光照明光源14、旋转电机控制器15、数据采集卡16、三维样品运动电机控制器17、显微镜运动电机控制器18、计算机19，上述部件的位置关系如下：

沿激光光源1输出光束方向依次是所述的能量调节波片2、能量调节棱镜3、柱透镜4、第一取样镜5，所述柱透镜4聚焦到所述待测大口径光学元件样品6的待测试面上，样品后剩余激光被所述吸收体7吸收；在所述的第一取样镜的前表面反射光和后表面反射光的光轴上分别是所述的光束质量分析仪8和第二取样镜9，所述第二取样镜反射光和透射光的光轴上分别是所述的光电探头11和能量计10，该光电探头输出端与所述的示波器12相连；所述长焦显微镜13移进到所述待测大口径光学元件样品6后，利用所述白光照明光源14对所述待测大口径光学元件测试面的损伤状况进行检测判断。

所述激光光源1的快门与所述计算机19相连实现对激光输出的控制；所述的能量调节波片2由所述的旋转电机控制器15控制实现测试激光能量的调节，该旋转电机控制器15与所述的计算机19相连；所述的待测大口径光学元件由所述的三维样品运动电机控制器17控制实现其在空间位置上的移动，该三维样品运动电机控制器17与所述的计算机19相连；所述的光束质量分析仪8、能量计10、示波器12和长焦显微镜13通过述所的数据采集卡16与所述的计算机19相连实现相关数据的采集、存储和处理；所述的长焦显微镜13由所述的显微镜运动电机控制器18控制实现对光学元件不同位置处损伤情况的检测，该显微镜运动电机控制器18与所述的计算机19相连。

利用上述的大口径光学元件损伤密度测试装置进行大口径光学元件损伤密度测试方法，该方法包括下列步骤：

1)计算机19控制所述激光光源1的快门打开，所述旋转电机控制器15实现所述能量调节波片2旋转到测试能量输出位置，设置所述三维样品运动电机控制器17水平和竖直方向的运动步长x、y，测试面积D_x×D_y，以及初始测试位置S₁₁；扫描点数M×N，其中M＝D_x/x,N＝D_y/y；

2)所述激光光源1输出激光脉冲对所述待测大口径光学元件样品6进行辐照；然后，所述三维样品运动电机控制器17控制样品水平方向依次移动至测试位置S_i1，移动步长为x，其中i＝2,3…M；并在相应测试位置S_i1处进行激光脉冲辐照；

3)所述三维样品运动电机控制器17控制样品竖直方向移动，移动步长为y，测试位置为S_M2；

4)所述激光光源1输出激光脉冲对所述待测大口径光学元件样品6进行辐照；然后，所述三维样品运动电机控制器17控制样品水平方向依次移动至测试位置S_i2，移动步长为x，其中i＝M-1,M-2,…1；并在相应测试位置S_i1处进行激光脉冲辐照；

5)所述三维样品运动电机控制器17控制样品竖直方向移动，移动步长为y，测试位置为S₁₃；

6)重复步骤2)～5)，直到扫描点位置为S_MN；

7)上述步骤2)～6)中，利用所述的光束质量分析仪8、能量计10、光电探头11对激光脉冲的光场分布、能量、时间波形进行测量，并通过所述的数据采集卡16保存至所述的计算机19；

8)结束激光脉冲辐照,所述计算机19控制所述激光光源1的快门关闭；

9)打开所述白光照明光源14对测试样品进行照明，所述长焦显微镜13移动至测试样品处；然后，设置所述的显微镜运动电机控制器18的水平和竖直方向运动步长X和Y，检测面积D_X×D_Y，以及检测扫描点数K×T，其中K＝D_X/X,T＝D_Y/Y；初始检测位置为P₁₁；

10)利用所述长焦显微镜13对检测位置损伤情况进行成像采集；然后，所述长焦显微镜13水平方向依次移动到位置P_i1，其中i＝1,2,3…K，移动步长为X；所述长焦显微镜13依次对每个位置损伤情况进行成像采集，并保存至所述的计算机19；

11)所述长焦显微镜13回到检测位置为P₁₁，令所述长焦显微镜13在竖直方向移动步长Y，检测位置为P₁₂；然后重复步骤10)；直到完成检测位置P_KT的成像采集；结束损伤检测。

12)所述的显微镜运动电机控制器18控制所述长焦显微镜13移出至检测前的初始位置。

13)结束。

所述的待测大口径光学元件损伤密度可以是熔石英元件表面损伤密度、晶体体损伤密度、光栅表面损伤密度，或者光学元件膜层表面损伤密度。

所述的晶体体损伤密度测试中损伤检测通过设置所述的三维样品运动电机Z方向位置实现所述的长焦显微镜对晶体内部不同截面的损伤情况对焦成像，叠加计算待测区域内不同截面内损伤点总数量来实现损伤密度的统计。

所述的激光光源输出脉冲宽度可以在百飞秒到几纳秒范围内、波长在350nm到1100nm范围内。

经试验表明，利用柱透镜聚焦方式的大口径光学元件损伤密度测试装置和方法可应用到不同激光波长下的光学元件表面损伤、体损伤及膜层损伤密度的测试中，是一种高效、自动化、应用范围广的大口径光学元件损伤密度测试手段。该损伤密度测试装置包括：激光光源、能量调节波片、能量调节棱镜、柱面透镜、第一取样镜、待测大口径光学元件样品、吸收体、光束质量分析仪、第二取样镜、能量计、光电探头、示波器、长焦显微镜、白光照明光源、旋转电机控制器、数据采集卡、三维样品运动电机控制器、显微镜运动电机控制器、计算机。

Claims (4)

1.一种用于大口径光学元件损伤密度测试的装置，其特征在于，包括：激光光源(1)、能量调节波片(2)、能量调节棱镜(3)、柱面透镜(4)、第一取样镜(5)、吸收体(7)、光束质量分析仪(8)、第二取样镜(9)、能量计(10)、光电探头(11)、示波器(12)、长焦显微镜(13)、白光照明光源(14)、旋转电机控制器(15)、数据采集卡(16)、供待测大口径光学元件样品(6)放置的三维样品运动电机控制器(17)、显微镜运动电机控制器(18)和计算机(19)；

激光光源(1)输出光束依次经所述的能量调节波片(2)、能量调节棱镜(3)和柱透镜(4)入射到所述的第一取样镜(5)，经该第一取样镜(5)前表面反射的反射光由所述的光束质量分析仪(8)接收，用于测量光场分布并传输至数据采集卡(16)；经所述的第一取样镜(5)后表面反射的反射光入射到第二取样镜(9)，经该第二取样镜(9)反射的反射光由光电探头(11)接收，该光电探头输出端与所述的示波器(12)的入射端相连，该示波器(12)的输出端与数据采集卡(16)相连；经该第二取样镜(9)透射的透射光由能量计(10)接收，用于测量光束能量，并传输至数据采集卡(16)；经所述的第一取样镜(5)透射的透射光入射到待测大口径光学元件样品(6)的待测试区域，剩余激光被所述吸收体(7)吸收；

所述长焦显微镜(13)移进到所述待测大口径光学元件样品(6)后，利用所述白光照明光源(14)照明，该长焦显微镜(13)由所述的显微镜运动电机控制器(18)控制实现对光学元件不同位置处损伤情况的检测，该显微镜运动电机控制器(18)与所述的计算机(19)相连；

所述激光光源(1)的快门与所述计算机(19)相连实现对激光输出的控制；所述的能量调节波片(2)由所述的旋转电机控制器(15)控制实现测试激光能量的调节，该旋转电机控制器(15)与所述的计算机(19)相连，所述的数据采集卡(16)和三维样品运动电机控制器(17)分别与所述的计算机(19)相连。

2.根据权利要求1所述的用于大口径光学元件损伤密度测试的装置，其特征在于，所述的柱面透镜(4)具有对入射光束在一维方向上进行会聚的光学特性，使得聚焦到待测光学元件的激光光斑是线状光束，一方面该线状光束具有测试所需的足够高通量，另一方面线状光束具有相对较大的光斑面积，使得测试过程中单次辐照样品的面积提高，可以降低测试过程中扫描点数量和一维方向上的光斑重叠次数，有利于提高大口径光学元件损伤密度扫描测试的时间效率和减少影响测试误差的因素。

3.根据权利要求1所述大口径光学元件损伤密度测试装置，其特征在于所述的。

4.一种利用权利要求1-4任一所述的装置进行大口径光学元件损伤密度测试的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)计算机(19)控制激光光源(1)的快门打开，旋转电机控制器(15)使所述能量调节波片(2)旋转到测试能量输出位置，设置三维样品运动电机控制器(17)水平和竖直方向的运动步长x、y，测试面积D_x×D_y，以及初始测试位置S₁₁，扫描点数M×N，其中M＝D_x/x,N＝D_y/y；

2)所述激光光源(1)输出激光脉冲对待测大口径光学元件样品(6)进行辐照；三维样品运动电机控制器(17)控制样品水平方向依次移动至测试位置S_i1，移动步长为x，其中i＝2,3…M；并在相应测试位置S_i1处进行激光脉冲辐照；

3)三维样品运动电机控制器(17)控制样品竖直方向移动，移动步长为y，测试位置为S_M2；

4)所述激光光源(1)输出激光脉冲对所述待测大口径光学元件样品(6)进行辐照；所述三维样品运动电机控制器(17)控制样品水平方向依次移动至测试位置S_i2，移动步长为x，其中i＝M-1,M-2,…1；并在相应测试位置S_i1处进行激光脉冲辐照；

5)三维样品运动电机控制器(17)控制样品竖直方向移动，移动步长为y，测试位置为S₁₃；

6)重复步骤2)～5)，直到扫描点位置为S_MN；

7)上述步骤2)～6)中，利用光束质量分析仪(8)、能量计(10)、光电探头(11)对激光脉冲的光场分布、能量、时间波形进行测量，并通过所述的数据采集卡(16)保存至所述的计算机(19)；

8)结束激光脉冲辐照，计算机(19)控制所述激光光源(1)的快门关闭；

9)打开白光照明光源(14)对测试样品进行照明，所述长焦显微镜(13)移动至测试样品处；设置显微镜运动电机控制器(18)的水平和竖直方向运动步长X和Y，检测面积D_X×D_Y，以及检测扫描点数K×T，其中K＝D_X/X,T＝D_Y/Y；初始检测位置为P₁₁；

10)利用长焦显微镜(13)对检测位置损伤情况进行成像采集；然后，长焦显微镜(13)水平方向依次移动到位置P_i1，其中i＝2,3…K，移动步长为X；所述长焦显微镜(13)依次对每个位置损伤情况进行成像采集，并保存至所述的计算机(19)；

11)所述长焦显微镜(13)回到检测位置为P₁₁，令所述长焦显微镜(13)在竖直方向移动步长Y，检测位置为P₁₂；然后重复步骤10)；直到完成检测位置P_KT的成像采集；结束损伤检测。

12)所述的显微镜运动电机控制器(18)控制所述长焦显微镜(13)移出至检测前的初始位置。

13)结束。

Images