CN112033644A - 一种高反射样品激光损伤阈值测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，通过采用光楔补偿光程，使得作用在样品表面的光斑大小始终一致，保证阈值测试的精度；计算机实时采集激光器输出能量、辐照在样品表面激光能量和光斑大小等数据，通过计算获得激光作用能量密度或功率密度。此外，用CCD拍摄记录激光在样品上作用点的图像，记录有损伤的图样数，计算不同能量密度条件下激光损伤概率，画出损伤概率图，得出光学元器件激光损伤阈值。本发明装置实现了测试系统的集成化、自动化，能够在线实时快速准确判别光学元器件膜层损伤，并且自动给出损伤概率图，出具检测报告；对于样品的放置角度较大时，本发明可通过对向移动双光楔，实现作用在样品表面的光斑大小始终一致。

Description

一种高反射样品激光损伤阈值测试装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种高反射样品激光损伤阈值测试装置。

背景技术

近年来，高功率、高能量激光器在激光加工、激光测距、军事国防等领域广泛应用。激光器中光学元件的抗激光损伤能力是目前制约高功率/高能量激光器发展的主要因素。在激光器系统中大能量激光器谐振腔镜、窗口镜和全反镜等元器件，是高功率/大能量激光器系统中最容易损伤的元器件，尤其是长期昼夜不间断运行的工业激光系统，元器件的抗激光损伤能力直接影响激光器运行的稳定性。光学元件的抗激光损伤能力由其自身基片材料特性和膜层性质决定，而激光损伤阈值是衡量光学元件抗激光损伤能力的重要技术指标。目前依据GB/T16601，常采用的损伤阈值探测方法有散射探测、等离子体和热辐射探测、在线显微镜法等。常规损伤阈值检测装置中，待测样品放置在二维电动平移台(上下、左右移动)上，对于反射元器件的损伤阈值检测存在一定的缺陷。

激光损伤阈值测试过程中，激光能量值和作用在样品表面的光束直径是损伤阈值判定的关键参数。为了避免测试系统的反射光返回激光器中而损坏激光器，尤其是反射元器件的损伤阈值测试，常需要将样品与光束传输方向成一定夹角放置，在测试时样品的移动导致作用在样品表面的光斑大小不一致。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，可以保证损伤阈值测试的精度。

一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，包括激光器、能量调节单元、第一分束器、第二分束器、光楔、功率计、光谱分析仪、单色信号光源、准直系统、样品、聚焦系统、CCD以及数据处理单元；

所述激光器用于产生激光脉冲光束；所述能量调节单元用于根据需求调节激光光束的能量；所述第一分束器将经过能量调节的激光分成两束，一束送给第二分束器，另一束送入功率计；所述功率计用于测量激光光束的功率；第二分束对于接收的激光光束分成两束，一束送入光楔，另一束送入光束分析仪；所述光束分析仪用于测量光束的光斑大小；

光束透过光楔最终作用在样品上；所述样品可在位移台的带动下在同一水平面内进行位移，即同一能量激光光束每次在样品位移时在其表面形成一个作用点；

所述光楔可在位移台的带动下在同一水平面内进行位移，用于改变最终射向样品的激光光束的光程，其位移方式满足：使得同一能量激光光束到达样品表面的光程均相等；

所述单色信号光源产生的单色光经准直系统准直后照射到样品表面；CCD通过聚焦系统对样品表面成像；

所述数据处理系统根据激光光束的功率和光斑大小计算激光的能量密度；并根据不同能量的激光光束作用后样品表面成像，判断表面损伤情况，最终确定样品的损伤阈值。

进一步的，当样品与垂面所成角度过大时，采用两个所述光楔进行光程补偿；其中，垂面为与激光光轴垂直的平面；两个所述光楔垂直面相依，垂直面与垂面平行，两个光楔的楔角方向相反。

较佳的，所述能量调节单元采用λ/2波片和偏振片组合实现。

进一步的，还包括指示激光器和全反镜；指示激光器产生的激光由全反镜依次经第一分束器、第二分束器及光楔反射到样品表面，且指示激光器的光束与激光器同光轴。

进一步的，还包括由偏振片和隔离器组成激光器保护单元，避免光路回光进入激光器损坏激光器。

进一步的，还包括激光快门，用于控制脉冲重频。

进一步的，还包括光电探测器，用于测试激光脉冲宽度和重复频率。

本发明具有如下有益效果：

本发明装置通过采用光楔补偿光程，使得作用在样品表面的光斑大小始终一致，保证阈值测试的精度；计算机实时采集激光器输出能量、辐照在样品表面激光能量和光斑大小、作用激光波长、脉宽、重频等数据，通过计算获得激光作用能量密度或功率密度。此外，用CCD拍摄记录激光在样品上作用点的图像，记录有损伤的图样数，计算不同能量密度条件下激光损伤概率，画出损伤概率图，得出光学元器件激光损伤阈值。本发明装置实现了测试系统的集成化、自动化，能够在线实时快速准确判别光学元器件膜层损伤，并且自动给出损伤概率图，出具检测报告；对于样品的放置角度较大时，本发明可通过对向移动双光楔，实现作用在样品表面的光斑大小始终一致。

附图说明

图1为本发明的测试装置图；

图2为激光在样品表面作用点排布图；

图3为光楔与样品板位移关系示意图；

图4为光楔对与样品板位移关系示意图。

1-激光器、2-全反镜、3-全反镜、4-偏振片、5-隔离器、6-λ/2波片、7-偏振片、8-激光快门、9-45°全反镜10-半透半反射镜、11-聚焦系统、12-第一分束器、13-第二分束器、14、15-光楔、16-样品、17-光谱分析仪、18-功率计、19-光电探测器、20-光束分析仪、21-单色信号光源、22-准直系统、23-聚焦系统、24-CCD、25-激光器、26-全反镜。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

依据标准GB/T 16601，激光损伤阈值确定时，将样品测试点放置于光路中，使用不同能量密度或管理密度的单个激光脉冲对其进行辐照。对于每个选定的脉冲能量(或功率)至少选取10个测试点进行辐照并记录。使用光束诊断装置记录下每个测试点实际使用的脉冲能量(或功率)，同时记录下样品经激光辐照后的损伤情况(损伤或未损伤)。对于其他的脉冲能量或功率重复上述步骤。使用的脉冲能量或功率的范围应足够宽，需要保证最小能量(或功率)值对任何样品测试点都不会损伤，最大能量(或功率)值对每个样品测试点都能损伤。

光束直径是光学元件激光损伤阈值重要影响因素。在损伤阈值测试系统中，样品台的驱动方向始终在垂直于激光传输方向的垂面内。对于非反射元器件的损伤阈值测试，样品固定在垂直激光传输方向，故作用激光经聚焦系统到达样品所有测试点光程始终一致，通过调节能量测试样品在不同能量密度条件下损伤概率。对于反射样品的损伤阈值测试，为了保护激光光源和测试系统中的元器件和探测器，样品在安装时需与激光传输方向成一定角度。由于驱动方向不可调节导致作用激光到达样品不同测试点产生光程差，即作用在样品不同测试点的光斑直径不一致，影响测试精度。

本发明提供一种光程差补偿方法，基于不同介质的折射率不同，激光在同一厚度的不同介质中实际光程不同的原理，提出光楔补偿光程法，在不调节样品或聚焦系统的相对位置条件下实现作用在样品上光斑大小一致，提高测试光路稳定性和测试精度，且操作方便，易于集成，方便控制系统开发。原理如图2和图3所示：

nΔy＝Δx

Δx＝lsinθ

光楔步进为：

样品步进为：

其中，α表示光楔顶角；θ表示样品与垂面夹角；其中，垂面定义为与光轴垂直的平面；n表示光楔介质折射率；Δy表示单个光楔步进光程差；Δx表示样品步进光程差；l表示激光辐照样品的两个作用点之间间距；ΔH表示样品在垂面中左右运动的步进距离；Δh表示光楔在垂面中左右运动的步进距离。由于要改变作用点的位置，样品不光需要在左右方向运动，也需要上下运动；但光楔只需要左右运动来改变每个作用点对应的光程，上下运动不影响光程。

可知，当样品与垂面成一定角度放置时，通过设置光楔的步进距离即可实现光程实时补偿，保证作用在样品上的光斑大小一致。当θ较大时，可以选用光楔对实现光程补偿，光楔对放置方向如图4所示，两个所述光楔垂直面相依，垂直面与垂面平行，两个光楔的楔角(相对)，即方向相反。

为高效精确测量光学元器件激光损伤阈值，本发明基于国家标准GB/T16601-1996提供了一种激光损伤阈值测试装置。该装置由激光系统、控制系统和探测系统组成。本发明所有探测器均经控制系统可在计算机上直接显示测试参数并体现在检测报告中。

[1]激光器1发出的激光经过45°全反镜2和45°全反镜3准直后，经过偏振片4、隔离器5、λ/2波片6、偏振片7、激光快门8、45°全反镜9和半透半反射镜10传输；

[2]激光快门8控制脉冲重频，实现1-on-1或者S-on-1；

[3]激光经过激光快门8、激光经45°全反镜9、半透半反射镜10、聚焦系统11、分束器12、分束器13、光楔14和光楔15作用在样品16表面上；

[4]偏振片4和隔离器5组成激光器保护单元，避免光路回光进入激光器损坏激光器1；

[5]λ/2波片6和偏振片7组成能量调节单元，通过旋转λ/2波片6可以调节光路中激光的能量大小；

[6]经分束器12反射的激光由功率/能量计18接收，实时监测作用在样品16表面的激光功率/能量大小，同时由光谱分析仪17测试激光光谱；

[7]经分束器13反射的激光由光束分析仪20接收，实时监测作用在样品16表面的光斑大小，同时由光电探测器19测试激光脉冲宽度和重复频率；

[8]指示激光器25发射的激光经45°全反镜26和半透半反射镜10后与激光器1输出的激光同轴；测试前打开指示激光器方便调节激光在样品16的作用区域；

[9]单色信号光源21、准直系统20、样品16、聚焦系统23、CCD24组成在线显微成像系统。

[10]所述CCD24安置在放大系统23焦平面上，可测得样品损伤情况图样并存储在计算机上；

[11]本发明待测样品14安装在夹持架上并固定在电动三维平移台上，调节好待测样品的相对位置后，根据待测样品16的形状和大小在计算机上设置平移台的行走路线，使样品在同一水平面内上下、左右移动，且单一能量密度激光作用不少于10个测试点，每个聚焦点光场强度分布均匀

[12]本发明光楔14和15均安装在电动平移台上、样品16的安装台固定在电动平移台上，均由电脑控制驱动。样品小角度放置时刻通过移动单一光楔实现样品步进光程差补偿，样品大角度放置时，可通过对向移动光楔实现样品步进光程差补偿。

[13]所述激光损伤阈值测试装置中激光器1、激光快门8、光谱分析仪17、功率/能量计18、电探测器19、光束分析仪20、单色信号光源21、指示激光器25、CCD24均由控制系统统一控制，并在计算机上实时显示、记录、存储测试数据与结果。通过观察各个单一能量下各作用点的损伤情况，可确定该能量下的损伤概率，根据概率确定该能量是否对样品造成损伤；通过不断改变(从小到大，或者从大到小改变)激光的能量，即可准确地测量出光学薄膜的激光损伤阈值。

本发明装置中损伤测试系统结构简单、体积小、易于集成，可单独用于激光器系统中谐振腔镜、全反镜、输出镜等平平镜在未拆卸条件下元件损伤情况。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，其特征在于，包括激光器、能量调节单元、第一分束器、第二分束器、光楔、功率计、光谱分析仪、单色信号光源、准直系统、样品、聚焦系统、CCD以及数据处理单元；

所述激光器用于产生激光脉冲光束；所述能量调节单元用于根据需求调节激光光束的能量；所述第一分束器将经过能量调节的激光分成两束，一束送给第二分束器，另一束送入功率计；所述功率计用于测量激光光束的功率；第二分束对于接收的激光光束分成两束，一束送入光楔，另一束送入光束分析仪；所述光束分析仪用于测量光束的光斑大小；

光束透过光楔最终作用在样品上；所述样品可在位移台的带动下在同一水平面内进行位移，即同一能量激光光束每次在样品位移时在其表面形成一个作用点；

所述光楔可在位移台的带动下在同一水平面内进行位移，用于改变最终射向样品的激光光束的光程，其位移方式满足：使得同一能量激光光束到达样品表面的光程均相等；

所述单色信号光源产生的单色光经准直系统准直后照射到样品表面；CCD通过聚焦系统对样品表面成像；

所述数据处理系统根据激光光束的功率和光斑大小计算激光的能量密度；并根据不同能量的激光光束作用后样品表面成像，判断表面损伤情况，最终确定样品的损伤阈值。

2.如权利要求1所述的一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，其特征在于，当样品与垂面所成角度过大时，采用两个所述光楔进行光程补偿；其中，垂面为与激光光轴垂直的平面；两个所述光楔垂直面相依，垂直面与垂面平行，两个光楔的楔角方向相反。

3.如权利要求1所述的一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，其特征在于，所述能量调节单元采用λ/2波片和偏振片组合实现。

4.如权利要求1所述的一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，其特征在于，还包括指示激光器和全反镜；指示激光器产生的激光由全反镜依次经第一分束器、第二分束器及光楔反射到样品表面，且指示激光器的光束与激光器同光轴。

5.如权利要求1所述的一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，其特征在于，还包括由偏振片和隔离器组成激光器保护单元，避免光路回光进入激光器损坏激光器。

6.如权利要求1所述的一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，其特征在于，还包括激光快门，用于控制脉冲重频。

7.如权利要求6所述的一种高反射样品激光损伤阈值测试装置，其特征在于，还包括光电探测器，用于测试激光脉冲宽度和重复频率。

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