CN111795804B - 一种高能激光反射光学元件的在线测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高能激光光学传输与发射技术领域，具体涉及一种高能激光反射光学元件的在线测试方法及系统，该系统包括第一光束质量测试设备，其用于在高能激光经过反射光学元件反射前测试得到第一光束质量；还包括第二光束质量测试设备，其用于在高能激光经过反射光学元件反射后测试得到第二光束质量，并与第一光束质量对比以判断反射光学元件是否满足要求；还包括干涉仪，其用于朝向反射光学元件的反射面设置，并检测高能激光源打开前和打开后的面形数据以判断反射光学元件是否满足要求。能解决现有技术中离线测试数据不能表征高能激光加载下的面形，对系统优化不具备指导意义的问题。

Description

一种高能激光反射光学元件的在线测试方法及系统

技术领域

本发明涉及高能激光光学传输与发射技术领域，具体涉及一种高能激光反射光学元件的在线测试方法及系统。

背景技术

激光以其良好的光束特性而广泛应用于信息、加工、医疗、军事等领域，随着激光应用的深入，激光器输出功率不断得到提升，想要获得良好的光束质量输出，除要求输入源头光束质量要高，还需要高能激光传输路径上光学元件具有高面形精度和热稳定性。

反射光学元件是高能激光传输链路中应用较多的一类光学元件，其反射率高低直接关系到整个系统光学效率的优劣，为保证对高能激光的高反射率，反射光学元件都需要经过镀膜处理。镀制完成的光学膜层是抗高能激光损伤最薄弱的环节，尽管反射面具有高反射率，大部分能量被反射出去，但仍有一部分能量被光学元件吸收，若入射激光能量越高，则光学元件吸收的热量越多，大量的热积累可能损坏光学膜层，同时光学元件会产生热形变，面形精度下降，进而导致出射的高能激光光束质量劣化。

因此反射光学元件的加工与镀膜精度要求极高，完成加工、镀膜的反射光学元件需要经过高精度的面形测试，达到指标要求才能投入使用。反射光学元件的静态面形可以通过常规的离线检测手段得到，例如干涉测量、相位恢复测量和扫描测量等，面形检测精度可以达到很高。但是应用于高能激光传输的反射光学元件的热形变问题可使高能激光光束质量劣化，在基于离线测试手段获取反射光学元件静态面形数据的基础上，开展高能激光连续辐照下反射光学元件面形测试试验，同时测量高能激光经过反射光学元件前后的光束质量，可实现对反射光学元件的热形变性能的监测与改进。

通过调研国内外文献，目前已有多种类型的反射光学元件面形静态测试方法，但均为离线测试，离线测试数据不能表征高能激光加载下的面形，对系统优化不具备指导意义。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高能激光反射光学元件的在线测试方法及系统，能解决现有技术中离线测试数据不能表征高能激光加载下的面形，对系统优化不具备指导意义的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种高能激光反射光学元件的在线测试方法，包括以下步骤：

在打开高能激光源前，用干涉仪测试待测的反射光学元件的第一面形数据；

在打开高能激光源后，再次用干涉仪测试反射光学元件的第二面形数据，并在高能激光经过反射光学元件反射前用第一光束质量测试设备测试得到第一光束质量，在高能激光经过反射光学元件反射后用第二光束质量测试设备测试得到第二光束质量；

对比第一面形数据和第二面形数据是否大于第一设定数值，以及对比第一光束质量和第二光束质量的差值是否大于第二设定数值，以判断反射光学元件是否满足要求。

在上述技术方案的基础上，在高能激光源和反射光学元件之间设置取样楔镜，在高能激光经过反射光学元件反射前采用取样楔镜取样高能激光，并用第一光束质量测试设备测试得到第一光束质量。

另一方面，本发明提供一种高能激光反射光学元件的在线测试系统，第一光束质量测试设备，其用于在高能激光经过反射光学元件反射前测试得到第一光束质量；

第二光束质量测试设备，其用于在高能激光经过反射光学元件反射后测试得到第二光束质量，并与所述第一光束质量对比以判断反射光学元件是否满足要求；

干涉仪，其用于朝向所述反射光学元件的反射面设置，并检测高能激光源打开前和打开后的面形数据以判断反射光学元件是否满足要求。

在上述技术方案的基础上，还包括取样楔镜，其包括：

第一楔镜，其设于所述高能激光源和反射光学元件之间，用于透射出大部分的高能激光至反射光学元件，反射出小部分的高能激光作为取样；

第二楔镜，设于所述第一楔镜的反射光路上，用于反射取样的高能激光至第一光束质量测试设备。

在上述技术方案的基础上，所述第一光束质量测试设备包括第一缩束装置和第一光束质量测试装置，依次设在所述取样楔镜射出高能激光光束的光路上；

第二光束质量测试设备，包括第二缩束装置和第二光束质量测试装置，其依次设在所述反射光学元件的反射光路上。

在上述技术方案的基础上，所述干涉仪和所述反射光学元件之间设有窄带滤光片，其用于滤除高能激光的散射光。

在上述技术方案的基础上，还包括红外热像仪，其朝向所述反射光学元件设置，用于监测和记录测试过程中所述反射光学元件的温度。

在上述技术方案的基础上，还包括高反镜，其用于倾斜地设在所述反射光学元件的反射光路上，所述第二光束质量测试设备设置在设在所述高反镜的透射光路上。

在上述技术方案的基础上，还包括高能激光截止装置，其用于设在所述高反镜的反射光路上，用于吸收截止所述高反镜反射的高能激光的能量，所述高能激光截止装置与所述高反镜之间还设有负透镜，其用于分散高能激光的能量。

在上述技术方案的基础上，还包括光斑尺寸调节装置，其用于在高能激光源和反射光学元件之间调节高能激光光束的尺寸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在使用该方法和系统时，通过用干涉仪测得的高能激光源打开前和打开后反射光学元件的面形数据进行对比，以及用第一光束质量测试设备对光束在经过反射光学元件前进行测量，用第二光束质量测试设备对光束在经过反射光学元件后进行测量，对比两次的测量结果以判断反射光学元件是否满足要求。这样就实现反射光学元件在线测量，更能反应光学元件在实际应用中的实际情况，可为镜面加工预补偿、自适应补偿等系统优化措施提供有效依据。避免了现有技术中的离线测试数据不能表征高能激光加载下反射光学元件的面形，对系统优化不具备指导意义的问题。并且采用两种测试数据对比，同时可以建立两种数据关系的数据库，以更好的提高检测的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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他的附图。

图1为本发明实施例中高能激光反射光学元件的在线测试方法的流程图；

图2为本发明实施例中高能激光反射光学元件的在线测试系统的示意图；

图3为本发明实施例中高能激光反射光学元件示意图；

图中：1、高能激光源；2、光斑尺寸调节装置；3、取样楔镜；31、第一楔镜；32、第二楔镜；4、第一光束质量测试设备；41、第一缩束装置；42、第一光束质量测试装置；

5、反射光学元件；51、光学膜层；52、镜面本体；6、高反镜；7、第二光束质量测试设备；71、第二缩束装置；72、第二光束质量测试装置；8、高能激光截止装置；81、负透镜；9、干涉仪；91、窄带滤光片；10、红外热像仪。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。图1为本发明实施例中高能激光反射光学元件的在线测试方法的流程图，如图1所示，本发明提供一种高能激光反射光学元件的在线测试方法，包括以下步骤：

S1：在打开高能激光源1前，用干涉仪9测试待测的反射光学元件5的第一面形数据；

S2：在打开高能激光源1后，再次用干涉仪9测试反射光学元件5的第二面形数据，并在高能激光经过反射光学元件5反射前用第一光束质量测试设备4测试得到第一光束质量，在高能激光经过反射光学元件5反射后用第二光束质量测试设备7测试得到第二光束质量；

S3：对比第一面形数据和第二面形数据是否大于第一设定数值，以及对比第一光束质量和第二光束质量的差值是否大于第二设定数值，以判断反射光学元件5是否满足要求。

使用该方法时，通过用干涉仪9测得的高能激光源1打开前和打开后反射光学元件5的面形数据进行对比，以及通过第一光束质量测试设备4和第二光束质量测试设备7分别测得的高能激光源1经过反射光学元件5反射前后的光束质量进行对比，以判断反射光学元件5是否满足要求。这样就实现反射光学元件在线测量，更能反应光学元件在实际应用中的实际情况，可为镜面加工预补偿、自适应补偿等系统优化措施提供有效依据。避免了现有技术中的离线测试数据不能表征高能激光加载下反射光学元件的面形，对系统优化不具备指导意义的问题。并且采用两种测试数据对比，同时可以建立两种数据关系的数据库，以更好的提高检测的准确度。

在本实施例中，高能激光源1为连续激光，常见为红外波段。干涉仪9测得的高能激光源1打开前和打开后反射光学元件5的面形的均方根值之差小于5nm，以及通过第一光束质量测试设备4和第二光束质量测试设备7分别测得的高能激光源1经过反射光学元件5反射前后的光束质量，即原衍射极限倍数因子之差小于0.1。满足这两个测试结果即反射光学元件5满足要求。

在一些可以选的实施例中，在打开高能激光源1时，设置高能激光源1出光时间，用干涉仪9测试待测至少5组反射光学元件5的面形数据并选取最高值与高能激光源1打开前的面形数据对比，同时采用红外热像仪10实时监控反射光学元件5的温度数据。

在本实施例中，设置高能激光源1出光时间为60s，选取获取的5组可使测试的数据更加准确，更能反应实际使用情况。

在一些可以选的实施例中，在高能激光源1和反射光学元件5之间设置取样楔镜3，在高能激光经过反射光学元件5反射前采用取样楔镜3取样高能激光，并用第一光束质量测试设备4测试得到第一光束质量。

在本实施例中，采用取样楔镜3可简单快速获取高能激光经过反射光学元件5反射前的取样，便于测试其光束质量。

图2为本发明实施例中高能激光反射光学元件的在线测试系统的示意图，如图2所示，本发明还提供一种高能激光反射光学元件的在线测试系统，包括：第一光束质量测试设备4，其用于在高能激光经过反射光学元件5反射前测试得到第一光束质量；还包括第二光束质量测试设备7，其用于在高能激光经过反射光学元件5反射后测试得到第二光束质量，并与第一光束质量对比以判断反射光学元件5是否满足要求；还包括干涉仪9，其用于朝向反射光学元件5的反射面设置，并检测高能激光源1打开前和打开后的面形数据以判断反射光学元件5是否满足要求。

在使用该系统时，通过用干涉仪9测得的高能激光源1打开前和打开后反射光学元件5的面形数据进行对比，以及用第一光束质量测试设备4对光束在经过反射光学元件5前进行测量，用第二光束质量测试设备7对光束在经过反射光学元件5后进行测量，对比两次的测量结果以判断反射光学元件5是否满足要求。这样就实现反射光学元件在线测量，更能反应光学元件在实际应用中的实际情况，可为镜面加工预补偿、自适应补偿等系统优化措施提供有效依据。避免了现有技术中的离线测试数据不能表征高能激光加载下反射光学元件5的面形，对系统优化不具备指导意义的问题。并且采用两种测试数据对比，同时可以建立两种数据关系的数据库，以更好的提高检测的准确度。

图3为本发明实施例中高能激光反射光学元件示意图，如图3所示，在本实施例中，反射光学元件5是经过镀膜处理的平面反射镜，包括光学膜层51和镜面本体52，具备对高能激光的高反射率，一般反射率大于99％；根据反射光学元件实际使用场景中入射光束的入射角调整反射光学元件的位置和角度，常见的入射角为45°或30°，镀膜高能激光反射光学元件由镜体和膜层组成，其示意图如图2所示。

在一些可以选的实施例中，该系统还包括取样楔镜3，其包括：第一楔镜31，其设于高能激光源1和反射光学元件5之间，用于透射出大部分高能激光至反射光学元件5，反射出小部分高能激光作为取样；还包括第二楔镜32，设于第一楔镜31的反射光路上，用于反射取样的高能激光至第一光束质量测试设备4。

在本实施例中，采用第一楔镜31设在于高能激光源1和反射光学元件5之间，配合第二楔镜32取样高能激光至第一光束质量测试设备4进行测量，可获得高能激光经过反射光学元件5之前的光束质量。

在一些可以选的实施例中，第一光束质量测试设备4包括第一缩束装置41和第一光束质量测试装置42，依次设在取样楔镜3射出高能激光光束的光路上。

第二光束质量测试设备7，包括第二缩束装置71和第二光束质量测试装置72，其依次设在反射光学元件5的反射光路上。

在本实施例中，第一缩束装置41和第二缩束装置71的规格相同，均实现对高能激光的缩束功能。第一光束质量测试装置42和第二光束质量测试装置72的规格相同，均实现对高能激光光束质量的测试功能。第一光束质量测试装置42和第二光束质量测试装置72测得的参数为原衍射极限倍数因子。第一光束质量测试装置42测试经反射光学元件前的光束质量β₁，第二光束质量测试装置72测试经反射光学元件后的光束质量β₂。

在一些可以选的实施例中，干涉仪9和反射光学元件5之间设有窄带滤光片91，其用于滤除高能激光的散射光。

在本实施例中，干涉仪为可见光干涉仪或红外高精度干涉仪，对平面反射镜的面形检测精度可达纳米级。窄带滤光片91用于滤除高能激光散射光对干涉仪面形测量的影响，例如干涉仪的测试波长是1050nm，高能激光源输出波长为1060nm，则窄带滤光片中心波长为1050nm，带宽应控制在几纳米滤波效果比较好，对1050nm波长具有高透过率，对1060nm波长截止。

在一些可以选的实施例中，该系统还包括红外热像仪10，其朝向反射光学元件5设置，用于监测和记录测试过程中反射光学元件5的温度。通过监测到的高能激光源1打开前和打开后的反射光学元件5的温度变化，也可以辅助判断反射光学元件5的情况。

在一些可以选的实施例中，该系统还包括：还包括高反镜6，其用于倾斜地设在反射光学元件5的反射光路上，第二光束质量测试设备7设置在设在高反镜6的透射光路上。

在一些可以选的实施例中，该系统还包括：高能激光截止装置8，其用于设在高反镜6的反射光路上，用于吸收截止高反镜6反射的高能激光的能量。在本实施例中，高能激光截止装置8可吸收高能激光的能量，避免对其他装置或者试验人员造成伤害。

在一些可以选的实施例中，高能激光截止装置8与高反镜6之间还设有负透镜81，其用于分散高能激光的能量。

在本实施例中，负透镜81用于接收由高反镜反射出来的高能激光，起到光束发散作用，从而匹配高能激光截止装置的有效口径，防止能量过于集中造成器件损坏，即避免对高能激光截止装置8的损坏。

在一些可以选的实施例中，该系统还包括：光斑尺寸调节装置2，其用于在高能激光源1和反射光学元件5之间调节高能激光光束的尺寸。

在本实施例中，光斑尺寸调节装置2具备对入射光尺寸的调节功能，常见为透镜组调节或离轴反射式调节，从高能激光源1输出的光斑尺寸较小，需要通过光斑尺寸调节装置进行扩束输出，例如高能激光源输出直径为8mm的高能激光，反射光学元件实际使用场景中接收的入射光直径为40mm，则需要光斑尺寸调节装置对高能激光进行5倍扩束处理。

该系统测试过程光路走向和调试过程如下：

(1)根据反射光学元件5的实际使用场景，选择激光波段、功率等参数与之相匹配的高能激光源1；

(2)高能激光源1输出高能激光进入光斑尺寸调节装置2，通过光斑尺寸调节装置2的调节，输出与反射光学元件实际使用中入射光束的尺寸相同的光束；

(3)从光斑尺寸调节装置2输出的高能激光入射到第一楔镜31上，大部分能量透射，少部分能量经第一楔镜31反射至第二楔镜32，经第二楔镜32反射至第一缩束装置41，经第一缩束装置41输出至第一光束质量测试装置42，获取高能激光的光束质量β1；

(4)调整反射光学元件5的位置、角度，使从第一楔镜31透过的高能激光束以合适的角度入射到反射光学元件5上，常规的入射角有45°、30°，具体根据实际使用需求调整；

(5)由反射光学元件5反射的高能激光经高反镜6，绝大部分能量被反射至负透镜81，然后被高能激光截止装置8吸收截止；极少部分能量透过高反镜6，经第二缩束装置71后输出至第二光束质量测试装置72，获取高能激光的光束质量β2，此步骤中的第二缩束装置71和第二光束质量测试装置72与步骤(3)中所述的第一缩束装置41和第一光束质量测试装置42规格相同。

(6)将干涉仪9放置于反射光学元件5的法线方向，确保干涉仪9对测试光路不遮挡、不干涉，调整并对准反射光学元件5，在干涉仪9的镜头前方放置窄带滤光片91，窄带滤光片91平面垂直于反射光学元件5的法线；

(7)打开高能激光源1前，干涉仪9测试并记录反射光学元件静态面形，红外热像仪10记录温度数据；

(8)检查整个光路，排除风险点，做好高能激光试验防护工作；

(9)打开高能激光源1，设置激光器出光时间为60s，输出高能激光，干涉仪9测试激光加载下反射光学元件5的面形数据，不少于5组，同时，第一光束质量测试装置42测试高能激光光束质量β1作为参考基准，测试经反射光学元件反射后的光束质量β2，并全程监测温度数据；

(10)整理数据，进行数据处理，并建立数据库。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种高能激光反射光学元件的在线测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

在打开高能激光源(1)前，用干涉仪(9)测试待测的反射光学元件(5)的第一面形数据；

在打开高能激光源(1)后，再次用干涉仪(9)测试反射光学元件(5)的第二面形数据，并在高能激光经过反射光学元件(5)反射前用第一光束质量测试设备(4)测试得到第一光束质量，在高能激光经过反射光学元件(5)反射后用第二光束质量测试设备(7)测试得到第二光束质量；

对比第一面形数据和第二面形数据之差是否大于第一设定数值，以及对比第一光束质量和第二光束质量的差值是否大于第二设定数值，以判断反射光学元件(5)是否满足要求；

在高能激光源(1)和反射光学元件(5)之间设置取样楔镜(3)，在高能激光经过反射光学元件(5)反射前采用取样楔镜(3)取样高能激光，并用第一光束质量测试设备(4)测试得到第一光束质量，取样楔镜(3)包括第一楔镜(31)和第二楔镜(32)，其中，第一楔镜(31)设于所述高能激光源(1)和反射光学元件(5)之间，用于透射出大部分的高能激光至反射光学元件(5)，反射出小部分的高能激光作为取样；第二楔镜(32)设于所述第一楔镜(31)的反射光路上，用于反射取样的高能激光至第一光束质量测试设备(4)；

所述第一光束质量测试设备(4)包括第一缩束装置(41)和第一光束质量测试装置(42)，依次设在所述取样楔镜(3)射出高能激光光束的光路上；

第二光束质量测试设备(7)包括第二缩束装置(71)和第二光束质量测试装置(72)，其依次设在所述反射光学元件(5)的反射光路上。

2.一种高能激光反射光学元件的在线测试系统，其特征在于，包括：

第一光束质量测试设备(4)，其用于在高能激光经过反射光学元件(5)反射前测试得到第一光束质量；

第二光束质量测试设备(7)，其用于在高能激光经过反射光学元件(5)反射后测试得到第二光束质量，并与所述第一光束质量对比以判断反射光学元件(5)是否满足要求；

干涉仪(9)，其用于朝向所述反射光学元件(5)的反射面设置，并检测高能激光源(1)打开前和打开后的面形数据以判断反射光学元件(5)是否满足要求；

取样楔镜(3)，其包括：

第一楔镜(31)，其设于所述高能激光源(1)和反射光学元件(5)之间，用于透射出大部分的高能激光至反射光学元件(5)，反射出小部分的高能激光作为取样；

第二楔镜(32)，设于所述第一楔镜(31)的反射光路上，用于反射取样的高能激光至第一光束质量测试设备(4)；

所述第一光束质量测试设备(4)包括第一缩束装置(41)和第一光束质量测试装置(42)，依次设在所述取样楔镜(3)射出高能激光光束的光路上；

第二光束质量测试设备(7)，包括第二缩束装置(71)和第二光束质量测试装置(72)，其依次设在所述反射光学元件(5)的反射光路上。

3.如权利要求2所述的高能激光反射光学元件的在线测试系统，其特征在于：所述干涉仪(9)和所述反射光学元件(5)之间设有窄带滤光片(91)，其用于滤除高能激光的散射光。

4.如权利要求2所述的高能激光反射光学元件的在线测试系统，其特征在于，还包括红外热像仪(10)，其朝向所述反射光学元件(5)设置，用于监测和记录测试过程中所述反射光学元件(5)的温度。

5.如权利要求2所述的高能激光反射光学元件的在线测试系统，其特征在于，还包括高反镜(6)，其用于倾斜地设在所述反射光学元件(5)的反射光路上，所述第二光束质量测试设备(7)设置在设在所述高反镜(6)的透射光路上。

6.如权利要求5所述的高能激光反射光学元件的在线测试系统，其特征在于：还包括高能激光截止装置(8)，其用于设在所述高反镜(6)的反射光路上，用于吸收截止所述高反镜(6)反射的高能激光的能量，所述高能激光截止装置(8)与所述高反镜(6)之间还设有负透镜(81)，其用于分散高能激光的能量。

7.如权利要求2所述的高能激光反射光学元件的在线测试系统，其特征在于，还包括光斑尺寸调节装置(2)，其用于在高能激光源(1)和反射光学元件(5)之间调节高能激光光束的尺寸。

Images