CN111879708B - 一种测量激光损伤三维结构的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量激光损伤三维结构的装置及方法，属于相移数字全息领域。本发明根据相移算法引入相应的相移量，并用CCD成像设备记录相应的全息图。本发明相较于其他方法结构简单，易于操作，既降低了该激光损伤检测的成本，也实现了对三维损伤的快速、无损测量，给损伤修复带来了便利。

Description

一种测量激光损伤三维结构的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量激光损伤三维结构的装置及方法，属于相移数字全息领域。

背景技术

随着激光技术的不断发展，激光功率变得越来越高，美国的点火装置、法国的激光兆焦、中国的神光III等大功率激光装置就是最典型的代表。在这些实际应用中，透射光的能量强度常常会达到光学元件的最大光损伤阈值，且每个光学元件或都可能由于制造过程中的工艺、玻璃材质中的杂质、使用的环境或者激发的条件而产生缺陷，这些缺陷在强激光的照射容易出现小尺度聚焦而造成元件表面和膜层的损伤，元件表面的细微损伤一旦出现，将会在后续的使用过程中形成恶性循环而很快导致整个元件报废。激光淬火是一种有效修复细微损伤的方法，但是在修复前还需要知道发生损伤的具体区域及形貌，否则无法对已损伤元件实施高效的修复而且还有可能造成二次损伤。

为了解决这一难题，许多实验室开发出光学损伤的表征技术，检测光学元件在被激光照射后所产生激光损伤的区域。破坏性测量技术如抛光锥度(锥度法)、球体(球窝法)、酸蚀等，又或者全内反射显微镜(ITIRM)、白光干涉法、X射线散射法等无损检测技术。但是，这些方法都存在或多或少的缺点，如需要破坏性的采样分析或者钻孔分析，无法做到无损检测；又或者检测设备复杂昂贵操作不便、检测不具时效性费时费力、空间分辨率低，无法检测损伤的深度信息等。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出一种基于相移数字全息技术测量激光损伤三维结构的装置及方法，能够实现对激光损伤区域亚表面三维分布的精确测量，对于研究光学元件激光损伤的修补、加工以及改进工艺具有重要意义。

本发明的第一个目的是提供一种测量激光三维损伤测量的装置，包括超辐射发光二极管光源，聚焦、准直透镜，衰减片，起偏器，分光棱镜，四分之一波片，反射镜，成像透镜，检偏器，成像设备；所述超辐射发光二极管光源沿光束方向放置聚焦、准直透镜，之后依次设置一个衰减片、起偏器和分光棱镜；沿经分光棱镜分离的反射光束方向依次设置四分之一波片、反射镜；反射镜的反射光束的方向依次放置检偏器、成像透镜和成像设备；所述装置还包括压电陶瓷和电控平移台，所述电控平移台与计算机连接。

在本发明的一种实施方式中，起偏器与检偏器的方向调到垂直。

在本发明的一种实施方式中，所述成像透镜到成像设备靶面的距离为11.25～48，例如可选28.5厘米。

在本发明的一种实施方式中，成像透镜的焦距为8厘米。

在本发明的一种实施方式中，成像设备的最小像素单元为7.4微米，其分辨率为2048×2048。

本发明的第二个目的是提供一种应用所述装置进行激光三维损伤的检测方法。

在本发明的一种实施方式中，所述方法为了获得一个2.1倍放大的清晰像，需将待测量的样品放置在与成像透镜距离13.5厘米的位置，控制电控平移台和压电陶瓷，逐步调整样品距离分光棱镜的距离，每推进一步，记录成像设备采集的信息，按照四步移相法计算在成像设备的靶面处的待测样品的相位分布。

在本发明的一种实施方式中，所述方法中采集信息的步骤具体是：

(1)保留物光束和参考光束，调整压电陶瓷分别记录四幅相移图，强度标记为I₁、I₂、I₃、I₄；

(2)只保留物光束记录一幅待测样品的衍射光斑，强度标记为

(3)只保留参考光束记录一幅参考光光斑，强度标记为

(4)控制电控平移台移动，重复(1)～(3)的过程，直至采集完成。

在本发明的一种实施方式中，按照四步移相法计算在成像设备的靶面处的待测样品的相位分布的具体计算过程如下：

(a)对相移器加载电压后，引入四步相移得到如下光强度图：

式中

为被测物体波面与参考波面相位差分布(即

)；

(b)为了得到损伤的信息，对变形后的4幅光强图两两取差，即I'₄-I'₂、I'₁-I'₃：

(c)对I'₁、I'₂取平方，再求和则可得到：

(d)消去参考光后，即可得到相关的损伤强度信息：

(e)将I'₁、I'₂相除，则可以得到相位差

的正切函数：

(f)对取得的相位差

的正切函数取反正切，从而得到关于相位差

的值：

(g)将不同深度的数据重复(a)-(f)的过程，并将其相位信息以切片的形式堆积叠加，从而获得关于该处激光损伤的三维分布。

有益效果：本发明针对激光损伤检测现有技术手段的缺点，提出一种基于相移数字全息技术测量激光损伤三维结构的方法及装置，由于在激光损伤的区域会出现折射率变化，因此在损伤区域常常伴随有应力双折射，从而将观测激光损伤转变为观测激光损伤所引起的双折射，使不可观察量化的内容具体化。在全息成像领域，相移数字全息相对于相对于传统全息来说，相移数字全息技术成像速度快，且参考光的相位由相移装置控制，可以根据所采用的相移算法引入相应的相移量，并用成像设备(通常使用电荷耦合元件，即CCD)来记录相应的全息图。本发明相较于其他方法结构简单，易于操作，既降低了该激光损伤检测的成本，也实现了对三维损伤的快速、无损测量，给损伤修复带来了便利；另一方面，该装置还可以达到轴向10微米的测量精度，同时整个数据的采集和恢复可以在10秒内实现，使整个装置更加高效，增加了该装置的实用性。

附图说明

图1为本发明基于相移数字全息技术实现激光三维损伤测量的装置示意图；其中，1，超辐射发光二极管光源；2，聚焦透镜；3，准直透镜；4，衰减片；5，起偏器；6，四分之一波片；7，反射镜；8，成像透镜；9，检偏器；10，成像设备；11，分光棱镜。

图2为应用本发明的装置测量的激光损伤点。

图3为检测方法的单层模拟结果；(a)：左上为设置的单层原始损伤强度图，(b)为设置的单层原始损伤相位图；(c)为恢复的损伤强度图；(d)为恢复的相位图；(e)和(f)为初始和恢复后同一位置的强度、相位结果比较。

图4为应用本发明的装置检测的激光损伤点恢复的三维光学切片，每片沿激光入射方向相隔10微米。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的基于相移数字全息技术实现激光三维损伤测量的装置包括超辐射发光二极管光源1，聚焦透镜2，准直透镜3，衰减片4，,起偏器5，分光棱镜11，四分之一波片6，反射镜7，成像透镜8，检偏器9，成像设备10；所述超辐射发光二极管光源1沿该激光光束方向垂直放置聚焦透镜2和准直透镜3，之后依次设置衰减片4、起偏器5和分光棱镜11；分光棱镜11将光束分成反射光束和透射光束，沿反射光束方向依次设置四分之一波片6、反射镜7、压电陶瓷、电控平移台，电控平移台与计算机连接。在反射镜的反射光束的方向依次放置检偏器8、成像透镜9和成像设备10。需要特别注意的是，上述所有的光学元件与激光光束垂直且中心保持在光轴上。

该装置的工作原理为：打开超辐射发光二极管光源1(SLD)，将光束出光口和成像设备前设置的起偏器4和检偏器9的方向调到垂直，由于起偏器4与检偏器9的方向垂直，光无法透过检偏器到达成像设备10，表现为暗场状态，从而使成像设备采集到由于损伤而产生的双折射信息。在参考光路的反射镜7前放置的一个四分之一波片使参考光路的参考光和透过检偏器8的物光在偏振方向保持一致。将待测样品放到透过分光棱镜5的物光光路的入射面上，所述的成像设备记录相关的全息数据：检测过程中，先保留物光束和参考光束，调整压电陶瓷分别记录四幅相移图，记录强度数据；再只保留物光束，记录一幅待测样品的衍射光斑强度；再只保留参考光束记录一幅参考光光斑强度；控制电控平移台移动，重复上述过程，直至采集完成。将采集后的全息数据按照四步移相法计算出在成像设备的靶面处的待测样品的相位分布。

实施例2

利用实施例1设计的基于相移数字全息技术对激光三维损伤进行测量，所用的损伤样品中损伤大小约为2.5毫米，存在残余应力深度区域约为200-300微米。按照实施例1的方式搭建测量装置，因为成像透镜8的焦距为8厘米，所以为了获得一个放大的清晰像，需将待测样品放置在与成像透镜8距离13.5厘米的位置，而从成像透镜8到成像设备10靶面的距离约为28.5厘米。成像设备10的最小像素单元为7.4微米，其分辨率为2048×2048。当成像设备与成像透镜的距离在28.5cm的基础上再超过0.5cm以上，会造成离焦，出现成像不清晰等现象。

检测过程中，打开超辐射发光二极管光源1，将待测样品放到透过分光棱镜11的物光光路的入射面上，将起偏器4与检偏器9的方向调到垂直，由于起偏器4与检偏器9的方向垂直，光无法透过检偏器到达成像设备10，表现为暗场状态，从而使成像设备采集到由于损伤而产生的双折射信息。需要注意的是，在参考光路的反射镜7前要放置一个四分之一波片6，是为了使参考光路的参考光和透过检偏器9的物光在偏振方向保持一致。

控制电控平移台和压电陶瓷，调整样品距离分光棱镜11的距离，并记录成像设备10的采集信息，具体步骤如下：

(1)保留物光束和参考光束，调整压电陶瓷分别记录四幅相移图，强度标记为I₁、I₂、I₃、I₄；

(2)只保留物光束记录一幅待测样品的衍射光斑，强度标记为

(3)只保留参考光束记录一幅参考光光斑，强度标记为

(4)控制电控平移台移动，重复(1)～(3)的过程，直至采集完成。

将上述记录的全息数据按照四步移相法计算出在成像设备的靶面处的待测样品的相位分布，具体计算过程如下：

(a)对相移器加载电压后，引入四步相移得到如下光强度图：

式中

为被测物体波面与参考波面相位差分布(即

)；

(b)为了得到损伤的信息，对变形后的4幅光强图两两取差，即I'₄-I'₂、I'₁-I'₃：

(c)对I'₁、I'₂取平方，再求和则可得到：

(d)消去参考光后，即可得到相关的损伤强度信息：

(e)将I'₁、I'₂相除，则可以得到相位差

的正切函数：

(f)对取得的相位差

的正切函数取反正切，从而得到关于相位差

的值：

(g)将不同深度的数据重复(a)-(f)的过程，并将其相位信息以切片的形式堆积叠加，从而获得关于该处激光损伤的三维分布，结果如图4所示，实现了对三维损伤的快速、无损测量，给损伤修复带来了便利；另一方面，该装置可以达到轴向10微米的测量精度，同时整个数据的采集和恢复可以在10秒内实现，使整个装置拥有较高的效率，增加了该装置的实用性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种测量激光三维损伤的装置，其特征在于，包括超辐射发光二极管光源，聚焦透镜、准直透镜，衰减片，起偏器，分光棱镜，四分之一波片，反射镜，成像透镜，检偏器，成像设备；所述超辐射发光二极管光源沿光束方向放置聚焦、准直透镜，之后依次设置一个衰减片、起偏器和分光棱镜；沿经分光棱镜分离的反射光束方向依次设置四分之一波片、反射镜；反射镜的反射光束的方向依次放置检偏器、成像透镜和成像设备；所述起偏器与检偏器的方向垂直；所述成像透镜可选的焦距范围为5～12厘米，成像透镜到成像设备靶面的距离为11.25～48厘米，样品放置在与成像透镜距离6～16厘米的位置；所述装置还包括压电陶瓷和电控平移台，所述电控平移台与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，成像设备的最小像素单元≤8.7微米，其分辨率≥(700×700)。

3.一种激光三维损伤的检测方法，其特征在于，应用权利要求1或2所述装置进行检测；将待测量的样品放置在与成像透镜距离6～16厘米的位置，通过控制电控平移台和压电陶瓷，逐步调整样品距离分光棱镜的距离；所述调整是将电控平移台向分光棱镜方向推进，每推进一步，记录成像设备采集的信息；

所述方法中采集信息的步骤具体是：(1)保留物光束和参考光束，调整压电陶瓷分别记录四幅相移图，强度标记为I₁、I₂、I₃、I₄；(2)只保留物光束记录一幅待测样品的衍射光斑，强度标记为

(3)只保留参考光束记录一幅参考光光斑，强度标记为

控制电控平移台移动，重复(1)～(3)的过程，直至采集完成；

将采集的信息按照四步移相法计算在成像设备靶面处的待测样品的相位分布，具体计算过程如下：

(a)对相移器加载电压后，引入四步相移得到如下光强度图：

式中

为被测物体波面与参考波面相位差分布(即

)；

(b)为了得到损伤的信息，对变形后的4幅光强图两两取差，即I'₄-I'₂、I'₁-I'₃：

(c)对I′₁、I′₂取平方，再求和则可得到：

(d)消去参考光后，即可得到相关的损伤强度信息：

(e)将I′₁、I′₂相除，则可以得到相位差

的正切函数：

(f)对取得的相位差

的正切函数取反正切，从而得到关于相位差

的值：

(g)将不同深度的数据重复(a)-(f)的过程，并将其相位信息以切片的形式堆积叠加，从而获得关于该处激光损伤的三维分布。

4.权利要求1或2所述的装置或权利要求3所述的方法在光学元件激光损伤的修复或加工方面的应用。

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