CN111829757A - 光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置及检测方法 - Google Patents

光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

一种光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置及测量方法。该装置包括光源、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光束整形滤波系统、偏振延迟控制系统、样品台、损伤特征在线测量系统、能量控制系统、聚焦系统、光束质量诊断系统、光闸、光阱、计算机；本发明将强激光光束分束，一部分作为损伤测试光束，一部分作为探测光束，采用偏振延迟控制系统，调节探测光束与损伤测试光束的间隔时间，结合损伤特征在线测量系统，在脉冲激光作用后不同时刻探测光学元件被辐照区域的相位信息及光强信息，获得损伤区域三维形貌及透过率分布的相对变化量。

Description

光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置及检测方法
技术领域
本发明涉及光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量，特别是一种光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置及检测方法。
背景技术
在高通量脉冲激光辐照下，光学元件极易发生损伤，影响其光学、力学、热学等性能，后续脉冲激光作用下即使微小尺寸的初始损伤点也可能快速增长，形成较大尺寸的损伤点或损伤区域，影响光学元器件的使用性能和寿命，降低激光系统的输出能量和激光光束质量，可能危及整个高功率激光装置的运行安全。
针对脉冲激光与光学材料作用时间短的特点，研究人员提出了多种时间分辨损伤瞬态测量技术，用于探测单波长脉冲激光作用下光学元件损伤动态过程，分析探索损伤过程及动态演变规律。其中，偏振阴影显微成像技术用于研究纳秒及皮秒脉冲激光作用下熔石英光学材料的损伤瞬态特性，采用四路探测光路，获得脉冲激光作用后不同时刻熔石英后表面损伤区域横向增长及材料喷溅图像(参见在先技术1， S.G.Demos,R.N.Raman,R.A.Negres,et al,Time-resolved imaging of processes associated with exit-surface damage growth in fused silica following exposure to nanosecond laserpulses,Optics Express,21(4),4875-4888,2013)，测试光路结构复杂、仅能得到损伤区域横向尺寸信息；时间分辨数字全息技术利用理想光束作为参考，测试光束经过损伤区域，获得光学元件激光辐照区域的光场强度及相位信息的瞬态变化量(参见在先技术2，A.Melninkitis,N.Siaulys,B.Momgaudis,et al,What time-resolved measurementstell us about femtosecond laser damage,Proc.SPIE,9632, 96320O/1-96320O/11,2015)，易受环境影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置及检测方法，结合光栅横向剪切干涉与偏振延迟控制，在脉冲激光作用后不同时刻探测光学元件被辐照区域的相位信息及光强信息，可获得损伤区域三维形貌及透过率分布的相对变化量。
本发明的技术解决方案如下，
一种光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置，包括光源，其特点在于沿该光源的光束传播方向依次放置第一分光镜，第一分光镜将入射光分为反射光束和透射光束，所述的反射光束作为探测光，沿该探测光传播方向依次设置第一反射镜、光束整形滤波系统、偏振延迟控制系统、第二反射镜、样品台和损伤特征在线测量系统，所述的透射光束作为测试光，沿该测试光传播方向依次设置能量控制系统(3)、聚焦系统、第二分光镜，该第二分光镜将入射光分为反射光束和透射光束，在该反射光束传播方向设置光束质量诊断系统，在该透射光束传播方向放置光闸、样品台、光阱；
所述的光源为脉冲激光光源；
所述的能量控制系统用于控制调节测试光的能量；
所述的样品台用于夹持待测光学元件，并调节待测光学元件的位置及角度；
所述的光束质量诊断系统用于测量激光光束的光斑尺寸、脉宽、监视能量；
所述的光束整形滤波系统用于脉冲激光探测光束的整形、滤波、扩束；
所述的偏振延迟控制系统包括第三分光镜、半波片、第三反射镜、第四反射镜、第一偏振分光棱镜，沿脉冲激光探测光束方向是所述的第三分光镜，将脉冲激光探测光束分为反射探测光束和透射探测光束：沿反射探测光束方向依次是半波片、第三反射镜、第四反射镜和第一偏振分光棱镜，使用所述的半波片改变其中一束探测光的偏振态，调节第三反射镜和第四反射镜，该探测光束光程变化引入的探测延迟时间记为τ，所述的探测透射光束进入所述的第一偏振分光棱镜，所述的第一偏振分光棱镜将两束脉冲探测光束共路输出；
所述的损伤特征在线测量系统包括成像系统、第二偏振分光棱镜、第一光栅、第一探测器、第二光栅和第二探测器，所述的第一光栅与第二光栅为二维衍射光栅，所述的第二偏振分光棱镜将所述的成像系统的输出分为两路并分别设置所述的第一探测器与第二探测器，所述的第一探测器与第二探测器位于所述的成像系统的像面；
所述的计算机与所述的光束质量诊断系统、第一探测器和第二探测器的输出端相连，所述的计算机的控制输出端与所述的样品台的控制端相连，用于集中控制、实验数据采集、存储及处理。
所述的第一探测器与第二探测器为照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
利用上述光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置的检测方法，其特点在于该方法包含下列步骤：
①将待测光学元件安置在所述的样品台上，打开光源，控制能量控制系统，降低脉冲激光能量，打开光闸，调节第二反射镜，使探测光与测试光在待测光学元件的测试区域重合，调节损伤特征在线测量系统，使待测光学元件的测试区域位于成像系统的物面；
②关闭光闸，控制光源输出第一个脉冲，使用损伤特征在线测量系统的第一探测器，记录待测光学元件测试区域初始状态的干涉图I11；
③调节能量控制系统，增大测试光能量，打开光闸，控制光源输出第二个脉冲，使用损伤特征在线测量系统的第一探测器、第二探测器，记录待测光学元件测试区域发生损伤时的干涉图，其中第一探测器获得的干涉图记为I21、第二探测器获得的干涉图记为I22；
④打开光闸，控制所述的光源输出第N个脉冲，其中N为2以上的正整数，待测光学元件测试区域发生损伤，关闭光闸，将第一探测器获得的干涉图记为IN1、第二探测器获得的干涉图记为IN2；
⑤控制光源输出第N+1个脉冲，使用损伤特征在线测量系统的第一探测器，记录待测光学元件测试区域初始状态的干涉图I(N+1)1；
⑥将干涉图I(N-1)1记为I0、干涉图IN1记为I1、干涉图IN2记为I2、干涉图I(N+1)1记为I3，使用现有干涉图处理算法分别从干涉图(I0、I1、I2、I3)中提取光强信息(T0、 T1、T2、T3)及差分相位信息，并采用现有的波前重建算法分别从差分相位信息中恢复相位信息
Figure BDA0002585063420000021
⑦从光强信息(T0、T1、T2、T3)中按下列公式计算得到测试区域透过率的相对变化量(ΔT1、ΔT2、ΔT3)，从相位信息
Figure BDA0002585063420000022
按下列公式计算得到测试区域相位信息的变化量
Figure BDA0002585063420000023
ΔT1＝T1/T0,ΔT2＝T2/T0,ΔT3＝T3/T0；
Figure BDA0002585063420000031
⑧使用相位信息的变化量
Figure BDA0002585063420000032
按下列公式计算测试区域损伤三维形貌(Δh1、Δh2、Δh3)：
Figure BDA0002585063420000033
其中，k＝2π/λ，λ为探测光束波长，ns为待测光学元件的折射率，na为待测光学元件周围环境的折射率。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用二维衍射光栅及探测器组成损伤特征在线测量系统，共光路干涉，抗环境干扰，结合偏振延迟控制系统，在脉冲激光作用后测量不同时刻探测光学元件被辐照区域的相位信息及光强信息，横向空间分辨率高，纵向测量范围大，获得光学元件损伤区域的三维形貌及透过率分布相对变化量，有助于研究并提升光学元件损伤特性。
附图说明
图1是本发明光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置的光路示意图；
图2是偏振延迟控制系统的光路示意图；
图3是损伤特征在线测量系统的光路示意图；
具体实施方式
下面结合实施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。
先请参阅图1，图1是本发明光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置的光路示意图，由图可见，本发明光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置，包括光源1，沿该光源1的光束传播方向依次放置第一分光镜2，第一分光镜2将入射光分为反射光束和透射光束，所述的反射光束作为探测光，沿该探测光传播方向依次设置第一反射镜9、光束整形滤波系统10、偏振延迟控制系统11、第二反射镜12、样品台7和损伤特征在线测量系统13，所述的透射光束作为测试光，沿该测试光传播方向依次设置能量控制系统3、聚焦系统4、第二分光镜5，该第二分光镜5将入射光分为反射光束和透射光束，在该反射光束传播方向设置光束质量诊断系统8，在该透射光束传播方向放置光闸6、样品台7、光阱14；
所述的光源1为脉冲激光光源；
所述的能量控制系统3用于控制调节测试光的能量；
所述的样品台7用于夹持待测光学元件，并调节待测光学元件的位置及角度；
所述的光束质量诊断系统8用于测量激光光束的光斑尺寸、脉宽、监视能量；
所述的光束整形滤波系统10用于脉冲激光探测光束的整形、滤波、扩束；
所述的偏振延迟控制系统11包括第三分光镜1101、半波片1102、第三反射镜1103、第四反射镜1104、第一偏振分光棱镜1105，沿脉冲激光探测光束方向是所述的第三分光镜1101，将脉冲激光探测光束分为反射探测光束和透射探测光束：沿反射探测光束方向依次是半波片1102、第三反射镜1103、第四反射镜1104和第一偏振分光棱镜1105，使用所述的半波片1102改变其中一束探测光的偏振态，调节第三反射镜1103和第四反射镜1104，该探测光束光程变化引入的探测延迟时间记为τ，所述的探测透射光束进入所述的第一偏振分光棱镜1105，所述的第一偏振分光棱镜 1105将两束脉冲探测光束共路输出；
所述的损伤特征在线测量系统13包括成像系统1301、第二偏振分光棱镜1302、第一光栅1303、第一探测器1304、第二光栅1305和第二探测器1306，所述的第一光栅1303与第二光栅1305为二维衍射光栅，所述的第二偏振分光棱镜1302将所述的成像系统1301的输出分为两路并分别设置所述的第一探测器1304与第二探测器 1306，所述的第一探测器1304与第二探测器1306位于所述的成像系统1301的像面；
所述的计算机15与所述的光束质量诊断系统8、第一探测器1304和第二探测器1306的输出端相连，所述的计算机15的控制输出端与所述的样品台7的控制端相连，用于集中控制、实验数据采集、存储及处理。
所述的第一探测器1304与第二探测器1306为照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
利用上述光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置的检测方法，包含下列步骤：
①将待测光学元件安置在所述的样品台7上，打开光源1，控制能量控制系统3，降低脉冲激光能量，打开光闸6，调节第二反射镜12，使探测光与测试光在待测光学元件的测试区域重合，调节损伤特征在线测量系统13，使待测光学元件的测试区域位于成像系统1301的物面；
②关闭光闸6，控制光源1输出第一个脉冲，使用损伤特征在线测量系统13的第一探测器1304，记录待测光学元件测试区域初始状态的干涉图I11；
③调节能量控制系统3，增大测试光能量，打开光闸6，控制光源1输出第二个脉冲，使用损伤特征在线测量系统13的第一探测器1304、第二探测器1306，记录待测光学元件测试区域发生损伤时的干涉图，其中第一探测器1304获得的干涉图记为I21、第二探测器1306获得的干涉图记为I22；
④打开光闸6，控制所述的光源1输出第N个脉冲，其中N为2以上的正整数，待测光学元件测试区域发生损伤，关闭光闸6，将第一探测器1304获得的干涉图记为IN1、第二探测器1306获得的干涉图记为IN2；
⑤控制光源1输出第N+1个脉冲，使用损伤特征在线测量系统13的第一探测器1304，记录待测光学元件测试区域初始状态的干涉图I(N+1)1；
⑥将干涉图I(N-1)1记为I0、干涉图IN1记为I1、干涉图IN2记为I2、干涉图I(N+1)1记为I3，使用现有干涉图处理算法分别从干涉图(I0、I1、I2、I3)中提取光强信息(T0、 T1、T2、T3)及差分相位信息，并采用现有的波前重建算法分别从差分相位信息中恢复相位信息
Figure BDA0002585063420000041
⑦从光强信息(T0、T1、T2、T3)中按下列公式计算得到测试区域透过率的相对变化量(ΔT1、ΔT2、ΔT3)，从相位信息
Figure BDA0002585063420000042
按下列公式计算得到测试区域相位信息的变化量
Figure BDA0002585063420000043
ΔT1＝T1/T0,ΔT2＝T2/T0,ΔT3＝T3/T0；
Figure BDA0002585063420000044
⑧使用相位信息的变化量
Figure BDA0002585063420000045
按下列公式计算测试区域损伤三维形貌(Δh1、Δh2、Δh3)：
Figure BDA0002585063420000046
其中，k＝2π/λ，λ为探测光束波长，ns为待测光学元件的折射率，na为待测光学元件周围环境的折射率。
实施例
将镀制增透膜的光学元件作为待测光学元件，光源1输出波长为1064nm的激光脉冲；能量控制系统3用于控制调节测试光的能量,调节范围为输出激光能量的 1％～99％；样品台7用于夹持待测光学元件，并调节待测光学元件在XYZ方向的位置及角度；光束质量诊断系统8用于测量激光光束光斑尺寸、脉宽、监视能量，其中光束直径为2mm，脉宽为7.21ns；光束整形滤波系统10用于探测光的整形、滤波、扩束；偏振延迟控制系统11包括第三分光镜1101、半波片1102、第三反射镜1103、第四反射镜1104、第一偏振分光棱镜1105，调节第三反射镜1103和第四反射镜1104 的位置改变两束探测光的延迟时间，经第一偏振分光棱镜1105合束后共路输出；损伤特征在线测量系统13包括成像系统1301、第二偏振分光棱镜1302、第一光栅1303、第一探测器1304、第二光栅1305、第二探测器1306，第一光栅1303与第二光栅1305 为周期相同的二维衍射光栅，第一探测器1304与第二探测器1306为相同的CCD，位于成像系统1301的像面。
实验表明，本发明采用二维衍射光栅及探测器组成损伤特征在线测量系统，共光路干涉，抗环境干扰，结合偏振延迟控制系统，在脉冲激光作用后测量不同时刻探测光学元件被辐照区域的相位信息及光强信息，横向空间分辨率高，纵向测量范围大，获得光学元件损伤区域的三维形貌及透过率分布相对变化量，有助于研究并提升光学元件损伤特性。

Claims (3)

1.一种光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置，包括光源(1)，其特征在于沿该光源(1)的光束传播方向依次放置第一分光镜(2)，第一分光镜(2)将入射光分为反射光束和透射光束，所述的反射光束作为探测光，沿该探测光传播方向依次设置第一反射镜(9)、光束整形滤波系统(10)、偏振延迟控制系统(11)、第二反射镜(12)、样品台(7)和损伤特征在线测量系统(13)，所述的透射光束作为测试光，沿该测试光传播方向依次设置能量控制系统(3)、聚焦系统(4)、第二分光镜(5)，该第二分光镜(5)将入射光分为反射光束和透射光束，在该反射光束传播方向设置光束质量诊断系统(8)，在该透射光束传播方向放置光闸(6)、样品台(7)、光阱(14)；
所述的光源(1)为脉冲激光光源；
所述的能量控制系统(3)用于控制调节测试光的能量；
所述的样品台(7)用于夹持待测光学元件，并调节待测光学元件的位置及角度；
所述的光束质量诊断系统(8)用于测量激光光束的光斑尺寸、脉宽、监视能量；
所述的光束整形滤波系统(10)用于脉冲激光探测光束的整形、滤波、扩束；
所述的偏振延迟控制系统(11)包括第三分光镜(1101)、半波片(1102)、第三反射镜(1103)、第四反射镜(1104)、第一偏振分光棱镜(1105)，沿脉冲激光探测光束方向是所述的第三分光镜(1101)，将脉冲激光探测光束分为反射探测光束和透射探测光束：沿反射探测光束方向依次是半波片(1102)、第三反射镜(1103)、第四反射镜(1104)和第一偏振分光棱镜(1105)，使用所述的半波片(1102)改变其中一束探测光的偏振态，调节第三反射镜(1103)和第四反射镜(1104)，该探测光束光程变化引入的探测延迟时间记为τ，所述的探测透射光束进入所述的第一偏振分光棱镜(1105)，所述的第一偏振分光棱镜(1105)将两束脉冲探测光束共路输出；
所述的损伤特征在线测量系统(13)包括成像系统(1301)、第二偏振分光棱镜(1302)、第一光栅(1303)、第一探测器(1304)、第二光栅(1305)和第二探测器(1306)，所述的第一光栅(1303)与第二光栅(1305)为二维衍射光栅，所述的第二偏振分光棱镜(1302)将所述的成像系统(1301)的输出分为两路并分别设置所述的第一探测器(1304)与第二探测器(1306)，所述的第一探测器(1304)与第二探测器(1306)位于所述的成像系统(1301)的像面；
所述的计算机(15)与所述的光束质量诊断系统(8)、第一探测器(1304)和第二探测器(1306)的输出端相连，所述的计算机(15)的控制输出端与所述的样品台(7)的控制端相连，用于集中控制、实验数据采集、存储及处理。
2.根据权利要求1所述的光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置，其特征在于所述的第一探测器(1304)与第二探测器(1306)为照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列。
3.利用权利要求1所述的光学元件激光诱导损伤特征瞬态测量装置的检测方法，其特征在于该方法包含下列步骤：
①将待测光学元件安置在所述的样品台(7)上，打开光源(1)，控制能量控制系统(3)，降低脉冲激光能量，打开光闸(6)，调节第二反射镜(12)，使探测光与测试光在待测光学元件的测试区域重合，调节损伤特征在线测量系统(13)，使待测光学元件的测试区域位于成像系统(1301)的物面；
②关闭光闸(6)，控制光源(1)输出第一个脉冲，使用损伤特征在线测量系统(13)的第一探测器(1304)，记录待测光学元件测试区域初始状态的干涉图I11；
③调节能量控制系统(3)，增大测试光能量，打开光闸(6)，控制光源(1)输出第二个脉冲，使用损伤特征在线测量系统(13)的第一探测器(1304)、第二探测器(1306)，记录待测光学元件测试区域发生损伤时的干涉图，其中第一探测器(1304)获得的干涉图记为I21、第二探测器(1306)获得的干涉图记为I22；
④打开光闸(6)，控制所述的光源(1)输出第N个脉冲，其中N为2以上的正整数，待测光学元件测试区域发生损伤，关闭光闸(6)，将第一探测器(1304)获得的干涉图记为IN1、第二探测器(1306)获得的干涉图记为IN2；
⑤控制光源(1)输出第N+1个脉冲，使用损伤特征在线测量系统(13)的第一探测器(1304)，记录待测光学元件测试区域初始状态的干涉图I(N+1)1；
⑥将干涉图I(N-1)1记为I0、干涉图IN1记为I1、干涉图IN2记为I2、干涉图I(N+1)1记为I3，使用现有干涉图处理算法分别从干涉图(I0、I1、I2、I3)中提取光强信息(T0、T1、T2、T3)及差分相位信息，并采用现有的波前重建算法分别从差分相位信息中恢复相位信息
Figure FDA0002585063410000021
⑦从光强信息(T0、T1、T2、T3)中按下列公式计算得到测试区域透过率的相对变化量(ΔT1、ΔT2、ΔT3)，从相位信息
Figure FDA0002585063410000022
按下列公式计算得到测试区域相位信息的变化量
Figure FDA0002585063410000023
ΔT1＝T1/T0,ΔT2＝T2/T0,ΔT3＝T3/T0；
Figure FDA0002585063410000024
⑧使用相位信息的变化量
Figure FDA0002585063410000025
按下列公式计算测试区域损伤三维形貌(Δh1、Δh2、Δh3)：
Figure FDA0002585063410000026
其中，k＝2π/λ，λ为探测光束波长，ns为待测光学元件的折射率，na为待测光学元件周围环境的折射率。
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