CN111579216A - 一种用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构 - Google Patents

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李斌成
孙诚
赵斌兴
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    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0207—Details of measuring devices
    • G01M11/0214—Details of devices holding the object to be tested

Abstract

本发明公开一种用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，包括电机、正反牙丝杆、导轨、滑台、联轴器、两个温度传感器(NTC)、支杆和支架，其特征在于：激光量热法测量光学元件吸收损耗的过程是将置于被测光学元件前表面特定位置处的温度传感器测量得到的温度数据拟合到特定温度模型获得被测光学元件的吸收损耗值，所用样品夹具中用于测量被测光学元件由于激光照射产生的温度上升的温度传感器位置固定。改进的样品夹具结构为：样品夹具中温度传感器位置可根据被测光学元件的几何结构尺寸和热物理特性参数进行自动化精细调节，并结合精确温度模型，从而获得更准确的被测光学元件吸收损耗测量值。

Description

一种用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹 具结构
技术领域
本发明涉及光学元件测试领域，尤其是一种用于光学元件吸收损耗测量的激光量热装置中样品夹具的改进方法。
背景技术
在各种激光器及其应用系统中，使用了大量的光学元件，特别是薄膜光学元件。由于薄膜吸收损耗的存在，使得薄膜光学元件在使用时由于激光照射引起内部温度上升，导致光学元件表面热畸变，严重时会产生光学元件灾难性破坏，最终导致整个系统崩溃。因此准确测量光学元件的吸收损耗可用于通过优化镀膜设计和工艺降低光学元件吸收损耗，提高光学元件性能，提升激光器及应用系统的总体性能和稳定性。
目前测量光学元件绝对吸收损耗的方法主要是激光量热方法。激光量热法是光学元件吸收损耗测量的国际标准(ISO11551：2003(E)－Test method for absorptance ofoptical laser components)，并且已被广泛应用于光学元件的吸收损耗测试。其优点是直接测量吸收损耗的绝对值(不需要定标)，测量灵敏度高(优于10－6－李斌成，熊胜明，H.Blaschke等，激光量热法测量光学薄膜微弱吸收，中国激光33：823(2006))，且装置简单，调节方便。在国际标准ISO11551中，激光量热装置中温度传感器位置是根据文献U.Willamowski,D.Ristau,E.Welsch,“Measuring the absolute absorptance ofoptical laser components”Appl.Opt.37:8362-8370(1998)提出的均匀温度模型确定的。但由于均匀温度模型中假定被测光学元件的热导率为无穷大而固定温度传感器位置在距离激光照射点7mm的径向位置处。数值计算结果表明，对于热导率较小的光学元件，将温度传感器位置固定在7mm处会引入较大的吸收损耗测量误差。
中国发明专利“一种光学元件吸收损耗测量的数据处理改进方法”(申请号201010535210.2)提出了一种能更真实反映被测光学元件所处物理实际、考虑被测光学元件有限热物理特性参数和几何结构尺寸的精确温度模型。根据该模型，针对不同材料类型和不同几何结构尺寸的光学元件可通过调节温度传感器位置实现光学元件吸收损耗的更准确测量。但该专利并未提出如何实现温度传感器位置的调节。
发明内容
本发明的技术解决问题：改进现有测量光学元件吸收损耗的激光量热装置中的样品夹具结构，使安装于样品夹具上的温度传感器位置可精确调节，从而实现光学元件吸收损耗值的更精确测量。
具体技术解决方案为：用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构由电机、正反牙丝杆、导轨、滑台、联轴器、两个温度传感器(NTC)、支杆和支架组成；激光量热光学元件吸收损耗测试装置中的计算机可通过电机控制器控制电机转动带动正反牙丝杆转动，进而使丝杆上两个滑台进行同步双向直线运动；导轨为滑台提供导向作用；联轴器连接电机轴和丝杆轴，补偿两轴之间产生的偏移，并提供缓冲作用；支架用于固定结构中的各部件；两个支杆安装两个温度传感器(NTC)，并固定在滑台上随滑台运动；样品夹具中的温度传感器位置通过控制电机驱动正反牙丝杆精确调节，其具体位置根据被测光学元件的几何结构尺寸和热物理特性参数并结合精确温度模型确定。
所述温度传感器有两个，两个温度传感器的位置相对被测光学元件激光照射点对称，激光照射点位于两个温度传感器的中间位置，三个位置近似在一条直线上。由于正反牙丝杆转动能使两滑台进行同步双向直线运动，当调节温度传感器位置时，两个温度传感器的位置通过正反牙丝杆同步调节，位置调节过程中始终保持两个温度传感器位置相对激光照射点对称。而用于温度传感器位置调节的驱动电机安装于激光量热吸收损耗测量装置的绝热样品室之外。
所述精确温度模型考虑被测光学元件的有限热物理特性参数和有限几何结构尺寸效应，并同时考虑被测光学元件表面热损失的影响，能够准确描述被测光学元件因受激光照射所引起的温升分布。
温度传感器准确位置的确定方法为：对于已知热物理特性参数值的待测光学元件，通过对该热物理特性参数及特定几何结构尺寸的被测光学元件不同位置处温升的精确温度模型数值模拟，用国际标准ISO 11551中规定的均匀温度模型进行拟合时吸收损耗值最接近真实值(或假设值)的温度探测位置即温度传感器准确位置；对于未知热物理特性参数值的被测光学元件，通过对不同热物理特性参数值大小、特定几何结构尺寸的被测光学元件不同位置处温升的精确温度模型数值模拟，得到热物理特性参数值在较大范围内(例如热导率通常从0.2到50W/m·K范围内)变化时，采用均匀温度模型进行拟合时，吸收损耗拟合值均能接近假设值的温度探测位置即该几何结构尺寸光学元件的温度传感器准确位置。在实际操作中可根据被测光学元件的热物理特性参数和几何结构尺寸采用精确温度模型建立数据库，在吸收损耗测量开始前仅需在软件界面输入被测光学元件的材料名称和几何结构尺寸(如圆形元件的直径和厚度)，系统将温度传感器自动调节到准确位置。
本发明与现有的激光量热装置相比具吸收损耗测量精度更高的优点。
附图说明
图1为本发明的改进的样品夹具结构示意图。
图2为采用改进的样品夹具结构的激光量热吸收损耗测量装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的样品夹具由电机、正反牙丝杆、导轨、滑台、联轴器、两个温度传感器(NTC)、支杆和支架等组成。温度传感器通过支杆和滑台链接在丝杆和导轨上，温度传感器位置由正反牙丝杆精确确定，丝杆通过联轴器与电机连接，由电机驱动丝杆实现温度传感器位置的精确调节。样品夹具仅有温度传感器与被测光学元件接触，用于测量接触点的温度。
如图2所示，本发明的激光量热吸收损耗测量装置由激励激光器、快门和快门控制器、光探头和光功率计、聚焦透镜、绝热样品室、被测光学元件(样品)和被测光学元件样品夹具、参考样品和参考样品夹具、反射镜、光收集器、处理电路和计算机等组成。被测光学元件样品夹具中的温度传感器(NTC)位置由安装在绝热样品室外的电机、安装在绝热样品室内的正反牙位移台组成的正反牙双向电动位移台和位移台控制器控制。
采用激光量热装置测量光学元件吸收损耗的过程为：激励激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦后近垂直地(角度小于5度)入射到放置在绝热样品室内的被测光学元件的前表面上，被测光学元件置于被测光学元件样品夹具上。加热激光束的功率在激光束照射光学元件前后过程中由装有45度高反射镜的电动光学快门反射至光探头探测并由光功率计读出。从被测光学元件透射的加热激光束由45度反射镜反射至光收集器收集。被测光学元件因吸收加热激光束能量而导致内部温度上升。被测光学元件的温度变化由高灵敏度、探测位置可调的温度传感器(NTC)测量，并通过另一温度探测单元同时测量放置于参考光学元件样品夹具的参考光学元件的温度消除环境温度漂移对温度测量的影响。消除了环境温度漂移影响的温度信号经处理电路后送入计算机进行数据处理，从而得到被测光学元件的吸收损耗绝对值。其中高灵敏温度传感器(NTC)在被测光学元件前表面的径向位置根据被测光学元件的热物理特性参数和几何结构并结合精确温度模型确定，通过计算机控制位移台控制器控制正反牙双向电动位移台精确调节，实现被测光学元件吸收损耗的准确测量。
本发明所述的实施方式并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而本领域人员基于本发明实施方式的各种其他组合、修改，并在本文所述构想范围内，不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，包括电机、正反牙丝杆、导轨、滑台、联轴器、两个温度传感器(NTC)、支杆和支架，其特征在于：激光量热光学元件吸收损耗测试装置中的计算机可通过电机控制器控制电机转动带动正反牙丝杆转动，进而使丝杆上两个滑台进行同步双向直线运动；导轨为滑台提供导向作用；联轴器连接电机轴和丝杆轴，补偿两轴之间产生的偏移，并提供缓冲作用；支架用于固定结构中的各部件；两个支杆安装两个温度传感器(NTC)，并固定在滑台上随滑台运动；样品夹具中的温度传感器位置可通过控制电机驱动正反牙丝杆精确调节，其具体位置根据被测光学元件的几何结构尺寸和热物理特性参数并结合一种精确温度模型确定。
2.根据权利要求1所述的用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，其特征在于：所述温度传感器有两个，两个温度传感器的位置相对被测光学元件激光照射点对称，激光照射点位于两个温度传感器的中间位置，三个位置近似在一条直线上。
3.根据权利要求1所述的用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，其特征在于：所述正反牙丝杆转动能使两滑台进行同步双向直线运动，当调节温度传感器位置时，两个温度传感器的位置通过正反牙丝杆同步调节，位置调节过程中始终保持两个温度传感器位置相对激光照射点对称。
4.根据权利要求1所述的用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，其特征在于：用于温度传感器位置调节的驱动电机安装于激光量热吸收损耗测量装置的绝热样品室之外。
5.根据权利要求1所述的用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，其特征在于：所述精确温度模型考虑被测光学元件的有限热物理特性参数和有限几何结构尺寸效应，并同时考虑被测光学元件表面热损失的影响，能够准确描述被测光学元件因受激光照射所引起的温升分布。
6.根据权利要求1所述的用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，其特征在于：温度传感器准确位置的确定方法为：对于已知热物理特性参数值的待测光学元件，通过对该热物理特性参数及特定几何结构尺寸的被测光学元件不同位置处温升的精确温度模型数值模拟，用国际标准ISO 11551中规定的均匀温度模型进行拟合时吸收损耗值最接近真实值(或假设值)的温度探测位置即温度传感器准确位置；对于未知热物理特性参数值的被测光学元件，通过对不同热物理特性参数值大小、特定几何结构尺寸的被测光学元件不同位置处温升的精确温度模型数值模拟，得到热物理特性参数值在较大范围内(例如热导率通常从0.2到50W/m·K范围内)变化时，采用均匀温度模型进行拟合时，吸收损耗拟合值均能接近假设值的温度探测位置即该几何结构尺寸光学元件的温度传感器准确位置。
7.根据权利要求1所述的用于激光量热光学元件吸收损耗测试装置的改进样品夹具结构，其特征在于：可根据被测光学元件的热物理特性参数和几何结构尺寸建立数据库，实际操作中在吸收损耗测量开始前仅需在软件界面输入被测光学元件的材料名称和几何结构尺寸(如圆形元件的直径和厚度)，系统将温度传感器自动调节到准确位置。
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