CN112595493A - 一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置和方法，装置包括：超快激光器、可调衰减片、快门、聚焦透镜、第一分光镜、第一光电探测器、待测样品、电控位移台、第二分光镜、第二光电探测器、扩束镜组、CCD相机、计算机和光束质量分析仪。沿所述的激光器的激光输出方向上依次是可调衰减片、快门、聚焦透镜、第一分光镜、待测样品、第二分光镜、扩束镜组、CCD相机；采用光束质量分析仪对激光焦点的有效面积进行测量。本发明还采用了同一聚焦光场和像传递法，确保了造成样品损伤的光源和激发样品非线性吸收的光源具有完全同等的靶面光斑分布，方便进一步分析激光损伤与样品非线性吸收的关系。

Description

一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光学元件激光损伤测试和非线性吸收测量领域，特别是基于像传递法，能够在靶面光斑分布相同的条件下，进行激光损伤阈值和z扫描光学非线性吸收的测量。
背景技术
光学元件在强激光辐照下发生的损伤，尤其是脉宽为飞秒到亚纳秒量级的高功率激光诱导发生的损伤，多是由材料对激光的非线性吸收引起的。聚焦激光的靶面光斑分布信息对于分析激光诱导损伤和非线性吸收的机理具有重要的指导意义，因此有必要使激光损伤阈值和非线性吸收测量时具有相同的靶面光斑分布条件，从而建立靶面光斑分布——激光诱导非线性吸收——激光诱导损伤在激光空间分布上的联系。要获得靶面光斑同等分布条件，需要将两套测量装置集成在一起，使得激光在聚焦在样品表面前有相同的光路和光束条件。
光学元件的损伤阈值测试通常在标准化的测试装置中进行(参见ISO:21254)。一般而言，为了尽可能地还原光学元件在强激光装置中的工作环境，损伤阈值测试装置中会选用焦距较长(≥1m)的透镜对激光进行聚焦。这样的长焦聚焦透镜的靶面焦点面积较大，一般在0.1mm2以上。而且远场光束经过聚焦，其靶面的光斑经常不是只有一个强区的平顶光或高斯光，而是会出现若干个强区。在线判定损伤发生与否可以简化测试步骤，采用放大倍数5-10倍的反射式照明CCD对激光聚焦位置成像，通过观察样品受激光辐照前后的形貌变化，即可在线判定损伤是否发生。
光学元件的非线性吸收测量通常在z扫描测量装置中进行(参见M.Sheik-Bahae,IEEEJ.Quantum Electronics26,760-769(1990))。材料的非线性效应需要要较高的光强的激发，且高精度位移平台的z向位移范围有限，z扫描装置中通常选用焦距较短(＜40cm)的透镜对激光进行聚焦。短焦聚焦透镜的靶面焦点面积很小(＜0.04mm2)，瑞利长度一般为毫米级。z扫描装置中聚焦激光通常垂直入射穿透样品。
如果不建立共用聚焦光路测量线性吸收和损伤阈值的集成化装置，很难做到保持两种测量装置中靶面光斑的分布完全一致。而集成的测量装置要兼顾两种测量的焦点需求，须采用短焦透镜聚焦光束，此时激光诱导产生的损伤点过小，不便于在线判定损伤是否发生。
发明内容
本发明的内容在于提供一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置和方法。该发方法要能够方便地用一束激光光源与其聚焦光路实现对光学元件的损伤阈值和非线性吸收的测量；该激光焦点的功率(能量)密度可调，以满足激光损伤测试和z扫描测量的不同需求；利用三轴精密电控位移平台，控制样品的x-y平面移动和z轴移动；在进行损伤阈值测试时，引入了像传递法，可采用诱导损伤的激光作为照明光，利用扩束镜组对焦点辐照位置的透射光放大成像并采用CCD相机记录像。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特点在于，包括：超快激光器、可调衰减片、快门、聚焦透镜、第一分光镜、第一光电探测器、待测样品、电控位移台、第二分光镜、第二光电探测器、扩束镜组、CCD相机、计算机和光束质量分析仪。沿所述的激光器的激光输出方向上依次是可调衰减片、快门、聚焦透镜、第一分光镜、待测样品、第二分光镜、扩束镜组、CCD相机；采用光束质量分析仪对激光焦点的有效面积进行测量。所述第一分光镜与主光轴成45°放置；在所述的第一分光镜的反射光输出方向设置第一光电探测器；所述的第二分光镜与主光轴成45°放置；在所述的第二分光镜的反射光输出方向设置第二光电探测器；待测样品置于沿主光轴(z轴)方向移动的电控位移台上；所述的快门、第一光电探测器、电控位移台、第二光电探测器和CCD相机与计算机相连。
所述的超快激光器发出的激光光束为高斯光束；其输出波长λ在300nm至1200nm之间；其脉冲宽度τ在飞秒至亚纳秒之间；其重复频率R在1Hz至1kHz之间。
所述的第一激光分光镜是和第二激光分光镜是对波长λ的激光具有一定透射/反射比的分光镜。
所述的快门的通光口径大于超快激光器出射激光的直径。
所述的可调衰减片使得超快激光器的出射激光能量或功率从0％至100％连续可调。
所述的第一光电探测器和第二光电探测器为可测量波长λ的激光的脉冲能量或功率的光电探测器。
所述的待测样品可以是薄膜、晶体、玻璃或陶瓷等强激光材料，其厚度一般不超过1.5mm。
所述的电控位移台为三轴位移平台；其z轴移动适用于z扫描测量待测样品的非线性吸收系数，x-y轴移动适用于调整损伤阈值测量中待测样品的位置。
所述的第二分光镜和CCD相机之间还有一个由凹凸透镜组成的扩束镜组，可以对激光焦点辐照样品的透射光扩束和准直，进入CCD相机成像。
所述的快门和电控位移台均由计算机控制。
所述的第二分光镜和CCD相机之间还有一个由凹凸透镜制成的扩束镜组，可以对激光焦点辐照样品的透射光整形扩束，进入CCD相机)成像。
一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量方法，包括如下步骤：
一、测量测试波长λ的激光作用下待测样品的1-on-1零概率损伤阈值：
S1：根据测试需要，选择激光波长为λ的激光器作光源，通过可调衰减片调节波长为λ的激光的输出能量，通过计算机控制的电子快门调节激光脉冲输出个数，采用聚焦透镜将激光聚焦到样品表面。测试开始前，需要用光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积Aeff。
S2：通过计算机控制的电子快门和三轴电机运动平台，使得样品在x-y平面平移，并确保每个位置只受一个激光脉冲辐照；单脉冲激光的峰值能量密度由高到低调节，利用1-on-1模式进行单脉冲多能量密度台阶的辐照测试。
S3：利用单脉冲激光进行辐照测试的同时，利用第一光电探测器监测脉冲激光的能量；利用扩束镜组对焦点位置的透射光扩束成像；利用CCD相机收集准直的扩束光，观察样品表面形貌变化，表面形貌变化即认为发生损伤；第一光电探测器所记录的能量和CCD相机记录的样品表面形貌均由计算机保存。
S4：利用第一能量计(6)测得单脉冲激光的能量，光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积，零概率损伤阈值的计算公式如下：
Fth＝E/Aeff
式中：
Fth-样品的激光零概率损伤阈值，单位为J/cm2，为样品(7)不发生损伤时的对应的最大激光能量密度；
E-单脉冲激光的能量；
Aeff-激光焦斑的有效面积。
二、测量波长为λ的激光作用下待测样品的非线性吸收系数：
S1：波长为λ的激光作为光源，通过可调衰减片调节波长为λ的激光的输出峰值功率；通过计算机设置所述的三轴电机运动平台的z轴运动和电子快门同步工作；第一光电探测器和第二光电探测器记录z扫描过程中的激光功率变化。测量开孔透射z扫描数据。测试前，需要用光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积Aeff。
S2：将所述的待测样品放置在所述的三轴电机运动平台上，调整待测样品的测量面与所述的主光轴(z轴)垂直；所述的透镜的焦点为位置z＝0，所述的待测样品初始位置为-10z0，z0＝πω0 2/λ为激光的衍射长度，其中λ为激光波长，ω0为激光束腰半径，可通过光束质量分析仪测得；所述的计算机控制所述的三轴电机运动平台、第一光电探测器和第二光电探测器同时启动，待测样品沿主光轴正向运动，经过透镜的焦点，运动距离为20z0；所述的第一光电探测器和第二光电探测器将探测的光强信号送入所述的计算机并储存；以采集到的光强值I为纵坐标，z为横坐标，记录为透射开孔曲线I(zn)，其中n＝1,2,3,……,N，N为采样点数，zn为采样点的横坐标，z1～zN的坐标值为-10z0～10z0，焦点处横坐标为zn＝0。
S3：有归一化开孔透过率曲线，取焦点处zn＝0的开孔透过率值T(0)，带入下式得到待测样品的非线性吸收系数β：
β＝2.83[1-T(0)]/I0Leff
式中，Leff＝[1-exp(-α0L)]/α0为样品的有效厚度，α0为样品的线性吸收系数(可查得)，L为样品的实际厚度，
Figure BDA0002757590160000041
为激光束腰处的光功率密度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，可以在同一装置中，在激光焦点靶面特征相同的条件下，对待测样品的激光损伤阈值和非线性吸收的进行测量。便于建立样品非线性吸收的激光损伤的空间关系。
附图说明
图1是本发明中基于像传递法，利用扩束镜组对样品进行透射成像的结构示意图。
图2是本发明的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置的结构示意图。
图3是本发明一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进一步说明，但不应用来限制本发明的保护范围：
先请参阅图2，图2是本发明实现的可测量光学元件激光损伤阈值和非线性吸收的集成装置一个实施例的光路结构图，由图可见，本发明的光学元件激光损伤阈值和非线性吸收测量装置，构成包括输出激光波长为λ的激光器1，沿所述的第一激光器1的激光输出的主光路上依次是可调衰减片2、快门3、聚焦透镜4、第一分光镜5、待测样品7、第二分光镜9、扩束镜组11、CCD相机12；所述的第一分光镜与所述的主光路呈45°放置，反射光由第一光电探测器6接收并导入计算机13保存；所述的第二分光镜与所述的主光路呈45°放置，反射光由第二光电探测器9接收并导入计算机13保存；所述的待测样品7置于电控位移台8上；所述的电子快门3和CCD相机12都与计算机13相连。
在本实施例中，激光器1选用激光波长为800nm、脉宽为70～200fs可调、频率为10Hz的飞秒激光器。
所述的激光分光镜5是对激光器1的激光透射率95％、反射率5％的分光镜；所述的激光分光镜9是对激光器1的激光透射率50％、反射率50％的分光镜。
参照图1，本发明可测量光学元件激光损伤阈值和非线性吸收的集成装置，包括A损伤可在线观察的损伤阈值测试系统，和B非线性吸收测量系统。
A损伤可在线观察的损伤阈值测试系统：主要由激光器1、可调衰减片2、快门3、聚焦透镜4、第一分光镜5、第一光电探测器6、电控位移台8、扩束镜组11、CCD相机12和计算机13组成。该系统利用可调衰减片2调制入射激光的能量台阶；激光通过透镜4聚焦，聚焦的光束经过第一分光镜5，透射光聚焦在样品7表面，反射光入射到第一光电探测器6并由计算机13记录数据；计算机13控制电子快门3和电控位移台8的x-y方向运动，使得样品上单一位置只受到一个脉冲辐照；经过样品的焦点透射光利用扩束镜组11整形放大，由CCD相机12采集图像。此为损伤阈值测试系统。
B非线性吸收测量系统：要由激光器1、可调衰减片2、快门3、聚焦透镜4、第一分光镜5、第一光电探测器6、电控位移台8、第二分光镜9、第二光电探测器10、和计算机13组成。该系统利用可调衰减片2调制入射激光的峰值功率；激光通过透镜4聚焦，聚焦的光束经过第一分光镜5，透射光聚焦在样品7表面，反射光入射到第一光电探测器6，透过样品的激光经过第二分光镜9，再被第二分光镜9反射至第二光电探测器10，计算机13收集第一光电探测器6和第二光电探测器10测量的功率；计算机13控制电控位移台8的z轴运动。此为非线性吸收系数测量系统。
实施例的具体操作步骤如下：
1.测量波长800nm的激光下待测样品的1-on-1零概率损伤阈值：
S1：利用光束质量分析仪测量焦点的有效面积；待测样品7置于电控位移台8上，移动电控位移台8至激光焦点z＝0处；计算机13控制快门开闭和电控位移台8的x-y方向移动；调节可调衰减片2得到所需的能量密度台阶，单能量密度台阶辐照10～15个点；CCD相机12采集透射光成像，以样品表面是否发生形变判断该能量密度下损伤与否。利用第一能量计(6)测得单脉冲激光的能量，光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积，
S2：将计算机13收集到的能量和测量的焦斑有效面积带入公式F＝E/Aeff可计算得到具体的能量密度。样品不发生损伤对应的最大能量密度即为其零概率损伤阈值。
2.测量样品的非线性吸收系数：
S1：待测样品7置于三轴电控位移台8上，调节电控位移台8的z向位置至-10z0处；调节可调衰减片2使激光能量密度低于待测样品7的破坏阈值；计算机13启动三电控位移台8在z轴正向移动20z0，同时第一光电探测器6和第二光电探测器10开始采集数据，即为z扫描的透过率数据；以透过率为纵坐标，z为横坐标，记录为T(zn)，n＝1,2,3,…N。
S2：对透射开孔数据T(zn)作归一化处理，将上述曲线中所有的纵坐标值除以z1处的纵坐标值，得到样品的归一化开孔透过率曲线T0(zn)，n＝1,2,3,…N，令纵坐标值为极值处的对应的横坐标为zn＝0，即焦点。曲线在焦点处有波谷或波峰，在远离焦点处归一化透过率为1。取zn＝0处开通透过率值T0(0)，代入以下公式可计算可到待测样品7的非线性吸收系数β：
β＝2.83[1-T(0)]/I0Leff
式中，Leff＝[1-exp(-α0L)]/α0为样品的有效厚度，α0为样品的线性吸收系数(可查得)，L为样品的实际厚度，
Figure BDA0002757590160000071
为激光束腰处的光功率密度。

Claims (9)

1.一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，包括：超快激光器(1)、可调衰减片(2)、快门(3)、聚焦透镜(4)、第一分光镜(5)、第一光电探测器(6)、供待测样品(7)放置的电控位移台(8)、第二分光镜(9)、第二光电探测器(10)、扩束镜组(11)、CCD相机(12)和计算机(13)；
所述的计算机(13)分别与所述的快门(3)、第一光电探测器(6)、电控位移台(8)、第二光电探测器(10)和CCD相机(12)相连；
沿所述的激光器(1)的激光输出方向上依次是可调衰减片(2)、快门(3)、聚焦透镜(4)和第一分光镜(5)，该第一分光镜(5)将入射光分为第一反射光束和第一透射光束，所述的第一反射光束由所述的第一光电探测器(6)接收，所述的第一透射光束经所述的待测样品(7)入射到第二分光镜(9)，经该第二分光镜(9)分束为第二反射光束和第二透射光束，所述的第二反射光束由所述的第二光电探测器(10)接收，所述的第二透射光束经所述的扩束镜组(11)入射到所述的CCD相机(12)。
2.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的超快激光器(1)发出的激光光束为高斯光束；其输出波长λ在300nm至1200nm之间；其脉冲宽度τ在飞秒至亚纳秒之间；其重复频率R在1Hz至1kHz之间。
3.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，第一激光分光镜(5)和第二激光分光镜(9)是对波长λ的激光具有一定的透射/反射比。
4.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的快门(3)是电子机械快门或声光调制器，其通光口径应大于超快激光器(1)出射激光的直径。
5.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的可调衰减片(2)使得超快激光器(1)的出射激光能量或功率从0％至100％连续可调。
6.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)为可测量波长λ的激光的脉冲能量或功率的光电探测器。
7.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的电控位移台(8)为三轴位移平台；其z轴移动适用于z扫描测量待测样品(7)的非线性吸收系数，x-y轴移动适用于调整损伤阈值测量中待测样品(7)的位置。
8.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的扩束镜组(11)由凹凸透镜组成，用于对激光焦点辐照样品的透射光扩束和准直。
9.一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量方法，包括如下步骤：
一、测量波长λ的激光作用下待测样品的1-on-1零概率损伤阈值：
S1：根据测试需要，选择激光波长为λ的激光器(1)作光源，通过可调衰减片(2)调节波长为λ的激光(1)的输出能量，通过计算机(13)控制的快门(3)调节激光脉冲输出个数，采用聚焦透镜(4)将激光聚焦到样品表面；
S2：通过计算机控制的快门(3)和三轴电机运动平台(8)，使得样品(7)在x-y平面平移，并确保每个位置只受一个激光脉冲辐照；单脉冲激光的峰值能量密度由高到低调节，利用1-on-1模式进行单脉冲多能量密度台阶的辐照测试；测试前，需要用光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积Aeff。
S3：利用单脉冲激光进行辐照测试的同时，第一光电探测器(6)监测脉冲激光的能量；CCD相机(12)收集准直的扩束光，观察样品表面形貌变化，表面形貌变化即认为发生损伤；第一光电探测器(6)所记录的能量和CCD相机(12)记录的样品(7)表面形貌均由计算机保存；
S4：利用第一能量计(6)测得单脉冲激光的能量，计算样品的激光零概率损伤阈值Fth，单位为J/cm2，为样品(7)不发生损伤时的对应的最大激光能量密度，公式如下：
Fth＝E/Aeff
式中：E-单脉冲激光的能量；Aeff-激光焦斑的有效面积；
二、测量波长为λ的激光作用下待测样品的非线性吸收系数：
S1：波长为λ的激光(1)作为光源，通过可调衰减片(2)调节波长为λ的激光的输出峰值功率；通过计算机(13)设置所述的三轴电机运动平台(8)的z轴运动和电子快门(3)同步工作；第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)记录z扫描过程中的激光功率变化，测量开孔透射z扫描数据。测试前，需要用光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积Aeff。
S2：将所述的待测样品(7)放置在所述的三轴电机运动平台(8)上，调整待测样品的测量面与所述的主光轴(z轴)垂直；所述的透镜(4)的焦点为位置z＝0，所述的待测样品(7)初始位置为-10z0，z0＝πω0 2/λ为激光的衍射长度，其中λ为激光波长，ω0为激光束腰半径，可通过光束质量分析仪(14)测得；所述的计算机(13)控制所述的三轴电机运动平台(8)、第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)同时启动，待测样品(7)沿主光轴正向运动，经过透镜(4)的焦点，运动距离为20z0；所述的第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)将探测的光强信号送入所述的计算机(13)并储存；以采集到的光强值I为纵坐标，z为横坐标，记录为透射开孔曲线I(zn)，其中n＝1,2,3,……,N，N为采样点数，zn为采样点的横坐标，z1～zN的坐标值为-10z0～10z0，焦点处横坐标为zn＝0。
S3：有归一化开孔透过率曲线，取焦点处zn＝0的开孔透过率值T(0)，带入下式得到待测样品(7)的非线性吸收系数β：
β＝2.83[1-T(0)]/I0Leff
式中，Leff＝[1-exp(-α0L)]/α0为样品(7)的有效厚度，α0为样品的线性吸收系数，L为样品(7)的实际厚度，
Figure FDA0002757590150000031
为激光束腰处的光功率密度。
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