CN111579221B - 一种光学元件非线性效应i*l值的测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学元件非线性效应I*L值的测试方法及装置，所述方法通过利用焦距小于光学元件厚度的透镜并通过调整光学元件的位置的方法将激光束聚焦在光学元件体内，同时将激光辐照在待测光学元件入射面的激光能量密度调整至小于待测光学元件入射面的激光损伤阈值，模拟出了非聚焦条件下的扰动诱导小尺度自聚焦效应，解决了传统测试方法中由于光学元件入射面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生，因而由光学元件入射面损伤带来的散射、缺陷吸收等激光损耗的问题，不仅提高了测试精度，也为光学元件在高功率激光装置中的安全使用以及提高材料的抗激光损伤能力提供更多的帮助。

Description

一种光学元件非线性效应I*L值的测试方法及装置
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光学元件非线性效应I*L值的测试方法及装置。
背景技术
在激光惯性约束聚变中，由于非线性小尺度自聚焦效应引起的光学元件成丝损伤成为限制激光输出功率以及增加装置运行风险和成本的瓶颈问题。小尺度自聚焦效应是由于激光在非线性介质传输过程中的位相和振幅调制引起的光束局部不稳定，从而使光束分裂成一根根高强度的细丝诱导材料损伤。非线性介质的I*L数值是评估其小尺度自聚焦效应的重要依据之一，I为入射激光峰值功率密度，L为成丝损伤起始点到光学元件入射面的距离。一个精准的I*L数值不仅可以为高功率激光装置提供一个安全使用范围，也是研究如何提高材料小尺度自聚焦阈值以及提高激光功率输出的前提。
在传统的非线性介质的I*L数值测试方法中，通常选用平行光非聚焦辐照，或者高斯光束利用长焦距透镜聚焦以达到景深长度大于测试样品长度的效果，从而模拟平行光辐照非线性介质的情况。但是对于大多数非线性光学元件的激光损伤首先发生于光学元件入射面，如熔石英材料等。因此传统测试方法测量光学元件的I*L数值过程中，存在光学元件入射面率先发生的激光损伤所引入的散射、缺陷吸收等问题会极大的衰减激光入射至体内的峰值功率密度，从而影响测试结果精度。
由于现有的光学元件I*L数值测试方法很难保证针测试的精度，因此需要发明一种针对无光学元件入射面损伤的光学元件I*L数值测试方法。这对评估光学元件的三阶非线性效应以及研究材料小尺度自聚焦成丝损伤特性有着重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光学元件非线性效应I*L值的测试方法及装置，通过采用将激光束聚焦在光学元件体内的方法，模拟了非聚焦条件下的扰动诱导小尺度自聚焦效应，解决了传统测试方法中由于光学元件入射面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生，因而由光学元件入射面损伤带来的散射、缺陷吸收等激光损耗的问题，不仅提高了测试精度，也为光学元件在高功率激光装置中的安全使用以及提高材料的抗激光损伤能力提供更多的帮助。
一种光学元件非线性效应I*L值的测试方法，具体包括以下步骤：
S1，调整待测光学元件的位置，使光学元件非线性效应测试装置射出的激光聚焦的焦点落在所述待测光学元件内部；
S2，将激光辐照在待测光学元件入射面的激光能量密度调整至小于待测光学元件入射面的激光损伤阈值，并用CCD相机记录待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L；
S3，根据待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L，计算待测光学元件入射面至成丝损伤头部位置的峰值功率密度I，从而计算得到待测光学元件在当前激光能量密度的激光辐照下的I*L值；
S4，重复步骤S2、S3，使不同激光能量密度的激光辐照在待测光学元件的不同位置，从得到的所有I*L值中选取最小值作为待测光学元件的非线性I*L数值。
优选地，所述步骤S3中根据待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L计算峰值功率密度I的具体步骤为：
将待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L按照测试精度细分为N段单位长度，利用光线传输ABCD矩阵算法，计算出距离待测光学元件入射面的第N段单位长度LN处的光斑面积SN；
根据入射激光能量Q、脉宽τ和光斑面积SN计算第N段单位长度LN处的峰值功率密度IN；
根据各段单位长度LN及其对应的峰值功率密度IN计算得出待测光学元件在当前激光能量密度的激光辐照下的I*L值。
优选地，所述I*L＝I1*L1+I2*L2+I3*L3+……..IN*LN；
L1+L2+L3+…..LN＝L；
IN＝Q÷SN÷τ，N为正整数。
优选地，所述光学元件非线性效应测试装置包括激光器、衰减器、光束分束器、聚焦透镜、能量计、光束质量分析仪和计算机，
所述激光器用于产生射向待测光学元件的入射激光；
所述衰减器用于调整激光器产生的入射激光的能量；
所述光束分束器用以将入射激光分成透射方向的光和反射方向的光，透射方向的光经聚焦透镜聚焦在待测光学元件内部，反射方向的光入射到能量计和光束质量分析仪中；
所述能量计用于测量入射激光的能量；
所述光束质量分析仪用于检测入射激光的光束质量；
所述计算机分别与激光器、能量计、光束质量分析仪和CCD相机电连接。
优选地，所述聚焦透镜的焦距小于待测光学元件的厚度。
优选地，所述激光器发出的激光的波长为1064nm或532nm或355nm、激光的脉冲宽度的调整范围为10fs～20ns；
所述激光为平行光束或高斯光束。
优选地，所述激光器输出激光的激光能量调整范围为2J～100J；
所述待测光学元件为体材料光学元件。
优选地，所述步骤S2中用CCD相机记录待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L时，CCD相机与待测光学元件入射面相垂直。
一种光学元件非线性效应I*L值的测试装置，包括激光器、衰减器、光束分束器、聚焦透镜、能量计、光束质量分析仪和计算机，
所述激光器用于产生射向待测光学元件的激光；
所述衰减器用于调整激光器产生的激光的能量；
所述光束分束器用以将入射激光分成透射方向的光和反射方向的光，透射方向的光经聚焦透镜聚焦在待测光学元件内部，反射方向的光入射到能量计和光束质量分析仪中；
所述能量计用于测量入射激光的能量；
所述光束质量分析仪用于检测入射激光的光束质量；
所述计算机分别与激光器、能量计、光束质量分析仪和CCD相机电连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过利用焦距小于光学元件厚度的透镜并通过调整光学元件的位置的方法将激光束聚焦在光学元件体内，同时将激光辐照在待测光学元件入射面的激光能量密度调整至小于光学元件入射面的激光损伤阈值，模拟出了非聚焦条件下的扰动诱导小尺度自聚焦效应，解决了传统测试方法中由于光学元件入射面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生，因而由光学元件入射面损伤带来的散射、缺陷吸收等激光损耗的问题，不仅提高了测试精度，也为光学元件在高功率激光装置中的安全使用以及提高材料的抗激光损伤能力提供更多的帮助。
2、本发明可以针对不同材料、不同尺寸、不同功能等任一种材料光学元件进行I*L的数值测试，具有很高的适用性。
3、本发明是将传统I*L数值测试过程中的光学元件入射面损伤引起的散射、缺陷吸收等能量损耗问题进行排除，因此可以得到材料更加准确的材料三阶非线性效应信息，以及更多精确的材料成丝损伤特征，为提高光学元件的小尺度自聚焦成丝损伤阈值提供可靠的依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明测试方法的流程图。
图2是本发明测试装置的结构示意图。
图3是光学元件内部成丝损伤的示意图。
图4是电路原理框图。
图5是本发明利用光线传输ABCD矩阵算法计算得到的激光入射至元件体内后光斑面积S随L的变化情况。
图6是本发明计算得到的激光入射至光学元件体内后I*L随L的变化情况。
图7是本发明实施例中熔石英体内成丝损伤图。
图中标号的含义为：
1－激光器，2－衰减器，3－光束分束器，4－能量计，5－光束质量分析仪，6－聚焦透镜，7－待测光学元件，8－CCD相机，9－计算机，10－待测光学元件入射面，11－成丝损伤头部位置，12－焦点位置，13－数据输出卡。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
本发明给出一种光学元件非线性效应I*L值的测试方法及装置。I*L值是评估非线性晶体的非线性效应的重要指标之一。该测试方法通过利用焦距小于光学元件厚度的透镜并通过调整光学元件的位置的方法将激光束聚焦在光学元件体内，同时将激光辐照在待测光学元件入射面的激光能量密度调整至小于待测光学元件入射面的激光损伤阈值，模拟出了非聚焦条件下的扰动诱导小尺度自聚焦效应，解决了传统测试方法中由于光学元件入射面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生，因而由光学元件入射面损伤带来的散射、缺陷吸收等激光损耗的问题，不仅提高了测试精度，也为光学元件在高功率激光装置中的安全使用以及提高材料的抗激光损伤能力提供更多的帮助。
本发明的光学元件非线性效应I*L值的测试方法，具体包括以下步骤：
S1，调整待测光学元件7的位置，使光学元件非线性效应测试装置射出的激光聚焦的焦点12落在所述待测光学元件7内部，并调整入射激光能量密度，确保入射至待测光学元件入射面10的激光能量密度小于其激光损伤阈值，从而可避免待测光学元件入射面10损伤引起的散射和缺陷吸收对非线性晶体的非线性效应测试结果的准确性产生影响。
所述光学元件非线性效应测试装置包括激光器1、衰减器2、光束分束器3、聚焦透镜6、能量计4、光束质量分析仪5和计算机9。聚焦透镜6的焦距小于待测光学元件7的厚度，所述待测光学元件7为体材料光学元件。
所述激光器1用于产生射向待测光学元件7的激光；衰减器2用于调整激光器1产生的激光的能量；光束分束器3用以将入射激光分成透射激光和反射激光，所述透射激光经聚焦透镜6聚焦在待测光学元件7内部，所述反射激光入射到能量计4和光束质量分析仪5中；能量计4用于测量入射激光的能量；光束质量分析仪5用于检测入射激光的光束质量。
所述计算机9分别与激光器1、能量计4、光束质量分析仪5和CCD相机8连接。
计算机9经数据输出卡13控制调Q信号输出，控制激光器1发射出激光，激光经衰减器2后到达光束分束器3，光束分束器3将该激光分成透射方向的光和反射方向的光，透射方向的光经聚焦透镜6到达待测光学元件7，通过移动待测光学元件7以调整其与聚焦透镜6之间的距离，可将透射方向的光聚焦的焦点12调制在待测光学元件7内部。反射方向的光分别到达能量计4和光束质量分析仪5中，能量计4将测量得到的激光能量传输至计算机9，光束质量分析仪5将检测得到的是光束质量的数据信息传输至计算机9。所述的能量计4的输出端连接至电脑9的第一输入端，所述的光束质量分析仪5的输出端连接至电脑9的第二输入端，所述的CCD相机8的输出端连接至电脑9的第三输入端。
本实施例中，所述激光器1发出的激光的波长为1064nm或532nm或355nm、激光的脉冲宽度的调整范围为10fs～20ns，激光器1输出激光的激光能量调整范围为2J～100J。激光器1发出的激光为平行光束或高斯光束。
S2，调节衰减器2，将激光辐照在待测光学元件入射面10的激光能量密度调整至小于待测光学元件入射面10的激光损伤阈值，并用CCD相机8记录待测光学元件7内部成丝损伤头部位置11距待测光学元件入射面10的距离L。
用CCD相机8记录待测光学元件7内部成丝损伤头部位置11距待测光学元件入射面10的距离L时，CCD相机8与待测光学元件入射面10相垂直。
S3，根据待测光学元件7内部成丝损伤头部位置11距待测光学元件入射面10的距离L，计算待测光学元件入射面10至成丝损伤头部位置11的峰值功率密度I，从而计算得到待测光学元件7在当前激光能量密度的激光辐照下的I*L值；
具体地，根据待测光学元件7内部成丝损伤头部位11置距待测光学元件入射面10的距离L计算峰值功率密度I的具体步骤为：
将待测光学元件内部成丝损伤头部位置11距待测光学元件入射面10的距离L按照测试精度细分为N段单位长度，利用光线传输ABCD矩阵算法，计算出距离待测光学元件入射面10的第N段单位长度LN处的光斑面积SN；
根据入射激光能量Q、脉宽τ和光斑面积SN计算第N段单位长度LN处的峰值功率密度IN，IN＝Q÷SN÷τ，N为正整数。
重复上述步骤，依次计算出成丝损伤头部位置11距待测光学元件入射面10的距离L中的各段单位长度(L1,L2,L3…LN)及其各自对应的光斑面积(S1,S2,S3…SN)和峰值功率密度(I1,I2,I3…IN)。
根据各段单位长度LN及其对应的峰值功率密度IN计算得出待测光学元件在当前激光能量密度的激光辐照下的I*L值。
所述I*L＝I1*L1+I2*L2+I3*L3+……..IN*LN，L1+L2+L3+…..LN＝L。
S4，重复步骤S2、S3，使不同激光能量密度的激光辐照在待测光学元件7的不同位置，从得到的所有I*L值中选取最小值作为待测光学元件7的非线性I*L数值。
下面通过举例具体说明本发明的具体实施方式。
假设待测光学元件7的尺寸为40mm*40mm*100mm，聚焦透镜6的焦距为50mm，激光器1发出的是直径为6mm、脉宽为3ns的激光束。
激光器1发出的直径为6mm、脉宽为3ns的高斯激光经衰减器2后到达光束分束器3。光束分束器3反射方向的光分别到达能量计4和光束质量分析仪5，能量计4和光束质量分析仪5将检测到的数据传输至计算机9；光束分束器3透射方向的光经过焦距为50mm的聚焦透镜6聚焦到达待测光学元件7的40mm*40mm的入射面上10。移动待测光学元件7的位置，将激光聚焦的焦点12调制在待测光学元件7内部，待测光学元件入射面10距聚焦透镜6的距离为25mm。
然后，控制衰减器2，将激光器1入射能量调制为50mJ，辐照至待测光学元件入射面10的激光能量密度为0.7J/cm2，该激光能量密度小于待测光学元件入射面10的激光损伤阈值10J/cm2。利用该激光能量密度的激光对待测光学元件7进行激光辐照，利用CCD相机8通过调整其角度和位置(使CCD相机8与待测光学元件入射面10相垂直)，记录下待测光学元件7体内成丝损伤头部位置11距待测光学元件入射面10的距离L为20mm。
然后，利用ABCD矩阵计算方法(光线传输矩阵)计算出激光焦点12位于距待测光学元件入射面10的距离为36mm。根据成丝损伤头部11位置距待测光学元件入射面10的距离，将细分单位长度LN选取为1mm，计算出距离待测光学元件入射面10的单位长度L1处的光斑面积S1，结合入射激光能量Q和脉宽τ计算得到单位长度L1处的峰值功率密度I1为6.2*10^7W/cm2，计算公式为：IN＝Q÷SN÷τ。
以此类推，计算出成丝损伤头部11位置距待测光学元件入射面10的距离L中所有单位长度(L1,L2,L3…LN)对应的光斑面积(S1,S2,S3…SN)和峰值功率密度(I1,I2,I3…IN)，计算得出该入射激光能量密度下的非线性效应I*L值为1GW/cm，计算公式如下：
I*L＝I1*L1+I2*L2+I3*L3+……..IN*LN
(L1+L2+L3+…..LN＝L)。
通过控制衰减器2，将所述的激光器1辐照至待测光学元件入射面10的激光能量密度分别调整至0.35J/cm2、1.4J/cm2、2.1J/cm2、2.8J/cm2、3.5J/cm2，将这些具有不同激光能量密度的激光分别对所述的待测光学元件7的25个不同位置处分别进行单脉冲激光辐照，最后从得到的所有的I*L数值中选取出最小值0.89GW/cm作为待测光学元件7的I*L数值。
本发明的光学元件非线性效应I*L值的测试装置，包括激光器1、衰减器2、光束分束器3、聚焦透镜6、能量计4、光束质量分析仪5和计算机9。
所述激光器1用于产生射向待测光学元件7的入射激光。
所述衰减器2用于调整激光器1产生的入射激光的能量。
所述光束分束器3用以将入射激光分成透射方向的光和反射方向的光，所述透射方向的光经聚焦透镜6聚焦在待测光学元件7内部，所述反射方向的光入射到能量计4和光束质量分析仪5中。
所述能量计4用于测量入射激光的能量。
所述光束质量分析仪5用于检测入射激光的光斑质量。
所述计算机9分别与激光器1、能量计4、光束质量分析仪5和CCD相机8电连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种光学元件非线性效应I*L值的测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，调整待测光学元件的位置，使光学元件非线性效应测试装置射出的激光聚焦的焦点落在所述待测光学元件内部；
S2，将激光辐照在待测光学元件入射面的激光能量密度调整至小于待测光学元件入射面的激光损伤阈值，并用CCD相机记录待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L；
S3，根据待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L，计算待测光学元件入射面至成丝损伤头部位置的峰值功率密度I，从而计算得到待测光学元件在当前激光能量密度的激光辐照下的I*L值；
根据待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L计算峰值功率密度I的具体步骤为：
将待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L按照测试精度细分为N段单位长度，利用光线传输ABCD矩阵算法，计算出距离待测光学元件入射面的第N段单位长度LN处的光斑面积SN；
根据入射激光能量Q、脉宽τ和光斑面积SN计算第N段单位长度LN处的峰值功率密度IN；
根据各段单位长度LN及其对应的峰值功率密度IN计算得出待测光学元件在当前激光能量密度的激光辐照下的I*L值；
所述I*L＝I1*L1+I2*L2+I3*L3+……IN*LN；
L1+L2+L3+…LN＝L；
IN＝Q÷SN÷τ，N为正整数；
S4，重复步骤S2、S3，使不同激光能量密度的激光辐照在待测光学元件的不同位置，从得到的所有I*L值中选取最小值作为待测光学元件的非线性I*L数值。
2.根据权利要求1所述的光学元件非线性效应I*L值的测试方法，其特征在于，所述光学元件非线性效应测试装置包括激光器、衰减器、光束分束器、聚焦透镜、能量计、光束质量分析仪和计算机，
所述激光器用于产生射向待测光学元件的入射激光；
所述衰减器用于调整激光器产生的入射激光的能量；
所述光束分束器用以将入射激光分成透射方向的光和反射方向的光，透射方向的光经聚焦透镜聚焦在待测光学元件内部，反射方向的光入射到能量计和光束质量分析仪中；
所述能量计用于测量入射激光的能量；
所述光束质量分析仪用于检测入射激光的光束质量；
所述计算机分别与激光器、能量计、光束质量分析仪和CCD相机电连接。
3.根据权利要求2所述的光学元件非线性效应I*L值的测试方法，其特征在于，所述聚焦透镜的焦距小于待测光学元件的厚度。
4.根据权利要求2所述的光学元件非线性效应I*L值的测试方法，其特征在于，所述激光器发出的激光的波长为1064nm或532nm或355nm、激光的脉冲宽度的调整范围为10fs～20ns；
所述激光为平行光束或高斯光束。
5.根据权利要求2所述的光学元件非线性效应I*L值的测试方法，其特征在于，所述激光器输出激光的激光能量调整范围为2J～100J；
所述待测光学元件为体材料光学元件。
6.根据权利要求1所述的光学元件非线性效应I*L值的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中用CCD相机记录待测光学元件内部成丝损伤头部位置距待测光学元件入射面的距离L时，CCD相机与待测光学元件入射面相垂直。
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