CN112326197A - 激光光学元器件长寿命预测方法 - Google Patents

激光光学元器件长寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

一种激光光学元器件寿命预测方法，旨在解决现光学元器件在任意通量照射下长时间使用的寿命预测问题；本发明包括：以激光脉冲次数为变量，以对应脉冲次数下的损伤阈值为因变量拟合获得光学元器件特定激光参数下的阈值函数。利用高重复频率激光在相对较短时间内实现较多脉冲次数的激光损伤阈值测试实验。通过测试高重复频率激光下的阈值函数，以及同一脉冲数下高重频激光与目标激光的阈值差值对脉冲次数的函数，从而得到寿命预测函数预测模型。本发明可以对激光光学元器件的寿命测试进行加速实验，缩短测试时间，应用本发明测试结果可以获得特定脉冲次数下的光学元器件使用寿命；本发明适用于激光光学元器件寿命预测领域。

Description

激光光学元器件长寿命预测方法
技术领域
本发明涉及激光光学元器件，特别是一种激光光学元器件长寿命的测试方法。
背景技术
激光光学元器件寿命为光学元器件承受一定通量的激光辐照，不发生生长性、功能性损伤时的最大脉冲次数。通常，光学元器件的寿命要求和激光器、系统装置运行时间要求相关。对于空间激光器的光学元器件，使用寿命要求长达几年甚至十几年，对光学元器件进行这么长时间的测试是不现实也是不经济的。而长寿命方面的激光元件寿命测试方法目前尚无。
一般光学元器件的寿命测试通常是在使用条件下进行相应条件的寿命测试。一般加速测试参数(如压力、通量等)也通常是直接提高参数来进行加速测试。而光学元器件的寿命不能通过简单的增加脉冲重复频率来加速寿命试验，这是因为光学元器件的损伤性能和激光的重复频率参数相关，重复频率的改变可能改变损伤发生的机制，因此要进行合理的加速试验，必须和其使用条件具有可比拟性。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种激光光学元器件长寿命的测试方法，该方法利用高重复频率的激光及目标激光结合进行测试，确定高重复频率下激光损伤阈值与脉冲数的关系以及补偿因子，可以得到任意激光通量下激光光学元器件的使用寿命和一定使用时间时光学元器件的损伤性能。该方法可大幅度缩短寿命测试周期，同时可对长寿命预测提供实验依据。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光光学元器件长寿命的测试方法，包括下列步骤：
1)分别使用目标激光参数(激光参数包括波长，脉宽，重复频率)的激光器及高重复频率激光器(波长及脉宽相同，重复频率不同)对光学元器件进行激光辐照损伤实验。按照国际标准ISO 21254-2进行S-on-1损伤测试实验，通过测量多组不同激光辐照能量密度下对应的不同损伤概率，其中每个位置点辐照的脉冲次数相同，每组相同激光能量密度下辐照的位置点不低于10个，相同激光辐照能量密度下发生破坏的位置点的数量比上总辐照位置点数为损伤概率，保证损伤概率在区间0％-100％不含0％及100％的数值不少于2个，线性拟合激光辐照能量密度及对应的损伤概率，得到0％损伤概率的激光辐照能量密度即为一定脉冲次数下光学元器件的激光损伤阈值；
2)设定目标激光参数的激光辐照脉冲数和高重复频率激光辐照的次数相同，相同脉冲次数不少于3组，此时的脉冲次数相对较少(1-1000)，分别测试不同脉冲次数下光学元器件在目标激光及高重复频率激光辐照下的损伤阈值，得到不少于3组相同脉冲次数下目标激光及高重复频率激光对应的损伤阈值；
3)计算相同脉冲次数下，使用目标激光参数的激光及高重复频率激光测试的损伤阈值差值，拟合该差值与脉冲次数的函数关系，此函数关系定义为补偿因子：
Figure BDA0002739768750000021
补偿因子为激光重复频率差异对阈值结果带来的影响，其中，N为脉冲次数，a1，b1，c1通过不少于3组阈值差值及脉冲
4)按照国际标准ISO 21254-2，使用高重复频率的激光对光学元器件进行更多组(不少于3组)脉冲次数、更长时间、更多脉冲次数的激光辐照损伤试验，得到不同脉冲次数下对应的元件激光损伤阈值，其中，高重复频率激光的最高辐照次数为要求的寿命次数或加入安全系数的寿命次数，脉冲次数的选取间隔按照整数倍或指数倍均匀取点；
5)拟合不同脉冲次数下，高重复频率激光下损伤阈值的函数关系，该函数关系用T表示为：
Figure BDA0002739768750000022
其中，N为脉冲次数，a2，b2，c2通过不少于3组高重复频率激光下损伤阈值及脉冲次数带入到T的函数关系而拟合得到的常数；
6)通过步骤3中得到的补偿因子α及步骤5中得到的高重频激光脉冲次数与损伤阈值T的函数关系，可以得到目标激光参数下损伤阈值与脉冲次数的关系，用LT表示,
Figure BDA0002739768750000023
7)通过比对目标激光下光学元器件寿命脉冲次数下的LT函数值与实际使用中的目标激光通量(记为F)的关系，如果F≥LT，那么光学元器件不满足此激光通量下寿命脉冲次数，如果F<LT，那么光学元器件满足此激光通量下寿命脉冲次数。
使用上述7个步骤可得到用于预测激光光学元器件的阈值函数，根据阈值函数可以用于预计和分析激光光学元器件的使用寿命。
本发明的技术效果：
1、本发明可以急剧缩短寿命测试时间，使得普通测试不可能的进行的实验变成可能，提高测试效率。
2、本发明中在缩短测试时间的同时可以有效保证在使用条件下寿命测试的准确性。
3、本发明不仅可以分析和预测任意通量下的使用寿命，也可以用于分析一定使用时间后激光光学元器件的损伤性能。
附图说明
图1为本发明激光光学元器件长寿命的测试方法的流程图
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为本发明激光光学元器件长寿命的测试方法的流程图，由图可见，本发明激光光学元器件长寿命的测试方法，包括以下步骤：
1)分别使用目标激光参数(激光参数包括波长，脉宽，重复频率)的激光器及高重复频率激光器(波长及脉宽相同，重复频率不同)对光学元器件进行激光辐照损伤实验：按照国际标准ISO 21254-2进行S-on-1损伤测试实验，通过测量多组不同激光辐照能量密度下对应的不同损伤概率，其中每个位置点辐照的脉冲次数相同，每组相同激光能量密度下辐照的位置点不低于10个，相同激光辐照能量密度下发生破坏的位置点的数量比上总辐照位置点数为损伤概率，保证损伤概率在区间0％～100％不含0％及100％的数值不少于2个，线性拟合激光辐照能量密度及对应的损伤概率，得到0％损伤概率的激光辐照能量密度，即为一定脉冲次数下光学元器件的激光损伤阈值；
2)设定目标激光参数的激光辐照脉冲数和高重复频率激光辐照的次数相同，相同脉冲次数不少于3组，此时的脉冲次数相对较少(1～1000)，分别测试不同脉冲次数下光学元器件在目标激光及高重复频率激光辐照下的损伤阈值，得到不少于3组相同脉冲次数下目标激光及高重复频率激光对应的损伤阈值；
3)计算相同脉冲次数下，使用目标激光参数的激光及高重复频率激光测试的损伤阈值差值，拟合该差值与脉冲次数的函数关系，该函数关系定义为补偿因子：
Figure BDA0002739768750000041
补偿因子为激光重复频率差异对阈值结果带来的影响，其中，N为脉冲次数，a1，b1，c1是通过不少于3组阈值差值及脉冲次数带入到补偿因子函数关系而拟合得到的常数；
4)按照国际标准ISO 21254-2，使用高重复频率的激光对光学元器件进行更多组(不少于3组)脉冲次数、更长时间、更多脉冲次数的激光辐照损伤试验，得到不同脉冲次数下对应的元件激光损伤阈值，其中，高重复频率激光的最高辐照次数为要求的寿命次数或加入安全系数的寿命次数，脉冲次数的选取间隔按照整数倍或指数倍均匀取点；
5)拟合不同脉冲次数下，高重复频率激光下损伤阈值的函数关系，该高重复频率激光下损伤阈值的函数关系用T表示为：
Figure BDA0002739768750000042
其中，N为脉冲次数，a2，b2，c2是通过不少于3组高重复频率激光下损伤阈值及脉冲次数带入到T的函数关系而拟合得到的常数；
6)通过下式计算目标激光参数下损伤阈值与脉冲次数的关系：
Figure BDA0002739768750000043
7)通过比对目标激光下光学元器件寿命脉冲次数下的LT函数值与实际使用中的目标激光通量(记为F)的关系，如果F≥LT，那么光学元器件不满足此激光通量下寿命脉冲次数，如果F<LT，那么光学元器件满足此激光通量下寿命脉冲次数。
所述的F＝E/S，通过能量计测得激光的能量E，利用分光光度计测得激光的光斑面积为S。高重复频率激光下损伤阈值的函数关系代表着在高重频下，光学元器件随脉冲次数变化的阈值变化，即一定脉冲次数下的寿命。高重复频率激光下损伤阈值的函数关系与补偿因子之和代表着低重频时候光学元器件随脉冲次数变化的阈值变化，即低重频下一定脉冲次数下的寿命。
为了快速得到低重频下光学元器件的激光损伤阈值。按照图1中的步骤先采用低重频激光获得不低于三组阈值(1000次脉冲以内)。接着采用高重频激光获得不低于三组阈值(1000次脉冲以内)及不低于三组阈值(1000次脉冲以上)。通过1000次脉冲以内的低重频与高重频阈值差规律拟合得到补偿因子α(与脉冲次数有关)。通过1000次脉冲以上的高重频阈值与脉冲次数的关系拟合得到高重频时阈值与脉冲次数的关系T。将1000次脉冲以上的高重频阈值与脉冲次数的关系和1000次脉冲以内的低重频与高重频阈值差规律相结合，得到在低重频(即目标)激光损伤阈值与脉冲次数的关系，即在一定脉冲次数下光学元器件的寿命。
实施例
对典型的355nm反射膜元件(薄膜的堆积公式为Sub|(LH)^40 4L|Air，其中L层为SiO2，H层为Al2O3)进行激光损伤阈值的寿命测试过程如下：
首先选取1、10、100、1000这四组脉冲次数为1000以内的测试点。使用的低重频激光的重复频率为1Hz，高重频激光重复频率为60Hz。通过1-on-1和S-on-1的测试方法测得低重频激光下355nm薄膜元件的阈值为22.3J/cm2(1-on-1)，21.2J/cm2(10-on-1)，20.6J/cm2(100-on-1)，20.4J/cm2(1000-on-1)。过1-on-1和S-on-1的测试方法测得高重频激光下355nm薄膜元件的阈值为20.5J/cm2(1-on-1)，19.5J/cm2(10-on-1)，19.0J/cm2(100-on-1)，18.8J/cm2(1000-on-1)。将同样脉冲数下的阈值差值与脉冲次数的关系带入得到补偿因子的公式拟合得到：α＝0.216*e-N/12.989+1.599，拟合优度R2＝0.9999。选取104、105、106这三组脉冲次数为1000以上的测试点，得到对应高重频下S-on-1的阈值为：18.7J/cm2(104-on-1)，18.67J/cm2(105-on-1)，18.63J/cm2(106-on-1)。将1000次以上的三组阈值与脉冲次数的数据带入到公式拟合得到：T＝0.0748*e-N/153780.39+18.63，拟合优度R2＝0.86206。那么根据T和α可以得到低重频激光时在较高脉冲次数下的阈值与脉冲数关系：LT＝T+α＝0.216*e-N/12.989+0.0748*e-N/153780.39+20.229，据此推算在多脉冲次数时的355nm薄膜的阈值。预估得到低重频下108寿命脉冲次数下，355nm薄膜阈值为20.229J/cm2。那么如果低重频(目标)激光通量(F)<20.229J/cm2，则光学元件在低重频激光下可承受激光脉冲次数108以上，即满足目标激光通量下寿命脉冲次数，反之则光学元件不能满足寿命要求。

Claims (2)

1.一种激光光学元器件长寿命的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别使用目标激光参数的激光器及高重复频率激光器(波长及脉宽相同，重复频率不同)对光学元器件进行激光辐照损伤实验：按照国际标准ISO21254-2进行S-on-1损伤测试实验，通过测量多组不同激光辐照能量密度下对应的不同损伤概率，其中每个位置点辐照的脉冲次数相同，每组相同激光能量密度下辐照的位置点不低于10个，相同激光辐照能量密度下发生破坏的位置点的数量比上总辐照位置点数为损伤概率，保证损伤概率在区间0％～100％不含0％及100％的数值不少于2个，线性拟合激光辐照能量密度及对应的损伤概率，得到0％损伤概率的激光辐照能量密度，即为一定脉冲次数下光学元器件的激光损伤阈值；
2)设定目标激光参数的激光辐照脉冲数和高重复频率激光辐照的次数相同，相同脉冲次数不少于3组，此时的脉冲次数为1～1000，分别测试不同脉冲次数下光学元器件在目标激光及高重复频率激光辐照下的损伤阈值，得到不少于3组相同脉冲次数下目标激光及高重复频率激光对应的损伤阈值；
3)计算相同脉冲次数下，使用目标激光参数的激光及高重复频率激光测试的损伤阈值差值，拟合该差值与脉冲次数的函数关系，该函数关系定义为补偿因子：
Figure FDA0002739768740000011
补偿因子为激光重复频率差异对阈值结果带来的影响，其中，N为脉冲次数，a1，b1，c1是通过不少于3组阈值差值及脉冲次数带入到补偿因子函数关系而拟合得到的常数；
4)按照国际标准ISO 21254-2，使用高重复频率的激光对光学元器件进行不少于3组的脉冲次数、更长时间、更多脉冲次数的激光辐照损伤试验，得到不同脉冲次数下对应的元件激光损伤阈值，其中，高重复频率激光的最高辐照次数为要求的寿命次数或加入安全系数的寿命次数，脉冲次数的选取间隔按照整数倍或指数倍均匀取点；
5)拟合不同脉冲次数下，高重复频率激光下损伤阈值的函数关系，该高重复频率激光下损伤阈值的函数关系用T表示为：
Figure FDA0002739768740000012
其中，N为脉冲次数，a2，b2，c2是通过不少于3组高重复频率激光下损伤阈值及脉冲次数带入到T的函数关系而拟合得到的常数；
6)通过下式计算目标激光参数下损伤阈值与脉冲次数的关系：
Figure FDA0002739768740000021
7)通过比对目标激光下光学元器件寿命脉冲次数下的LT函数值与实际使用中的目标激光通量(记为F)的关系，如果F≥LT，那么元件不满足此激光通量下寿命脉冲次数，如果F<LT，那么元件满足此激光通量下寿命脉冲次数。
2.根据权利要求1所述的激光光学元器件长寿命的测试方法，其特征在于，所述的目标激光参数包括波长，脉宽和重复频率。
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