CN112665830A - 一种连续可变波长损伤阈值测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连续可变波长损伤阈值测试装置，属于材料损伤检测技术领域，包括激光器，以及沿所述激光器的输出光路上依次设置的波长调谐机构和损伤监控机构，待测样品用于设置在所述波长调谐机构和所述损伤监控机构之间，所述激光器输出的激光经所述波长调谐机构改变波长后射向所述待测样品，所述损伤监控机构连接控制器，所述控制器接收所述损伤监控机构获取的所述待测样品的损伤形貌图像。能够在宽谱范围内可调谐的波长的条件下测试，能较准确地反映不同光学元件因材质或者镀膜的不同而受激光诱导的损伤程度。

Description

一种连续可变波长损伤阈值测试装置

技术领域

本发明涉及材料损伤检测技术领域，具体而言，涉及一种连续可变波长损伤阈值测试装置。

背景技术

自上世纪六十年代第一台激光器问世以来，激光由于其特有的单色性、相干性等优势，被广泛应用于信息科学、工业制造、能源工程、强场物理、生物医学、军事应用等研究领域，为整个社会的发展做出了重要贡献，但是随着激光技术的发展和高功率激光的应用，不可避免的出现强激光辐照材料引起光学材料损伤的问题。当一束低强度光入射到反射镜上或穿过吸收介质时，可能几乎观察不到任何效应。然而当光束光强增大时，大范围的相互作用可能变得明显，这些效应包括升温、膨胀、变形、应变、非线性投射和吸收、电光效应、二次谐波产生、光学参量振荡和自聚焦等。当光束强度进一步增大，上述这些现象就转变为材料或元件的不可逆变化，通常称为材料的激光诱导损伤(LID,Laser-Induced Damage)。只要辐射足够强均有可能发生这些相互作用，激光的出现使这些现象变得突出。激光诱导损伤可能发生在光学元件的表面(前表面或后表面，取决于激光束入射的方向)、元件间的界面(尤其是当它们接触时)或者大块光学元件中。元件间的反射也有可能发生系统的损伤。了解材料和元件的物理参数对预测激光诱导损伤的可能性非常重要。

不同光学元件由于材质或者镀膜的不同，使用波段也各有区别，因此在对于不同光学元件进行损伤阈值测试的过程中，需要提供在宽谱范围内连续可调谐的波长。但现有的测试仪器无法实现在宽谱范围内连续可调谐的波长条件下测试，使测试结果的准确性受到一定影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续可变波长损伤阈值测试装置，能够在宽谱范围内连续可调谐的波长条件下测试，提高激光损伤阈值的准确性。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面提供一种连续可变波长损伤阈值测试装置，其包括激光器，以及沿所述激光器的输出光路上依次设置的波长调谐机构和损伤监控机构，待测样品用于设置在所述波长调谐机构和所述损伤监控机构之间，所述激光器输出的激光经所述波长调谐机构改变波长后射向所述待测样品，所述损伤监控机构连接控制器，所述控制器接收所述损伤监控机构获取的所述待测样品的损伤形貌图像。

可选地，所述波长调谐机构为光学参量放大器。

可选地，所述波长调谐机构和所述待测样品之间还设有连续可调谐功率器。

可选地，所述连续可调谐功率器包括沿所述输出光路依次设置的格兰棱镜和衰减片。

可选地，还包括分别与所述控制器和所述激光器连接的脉冲控制机构，所述控制器通过所述脉冲控制机构控制所述激光器输出具有目标脉冲个数的激光。

可选地，所述脉冲控制机构包括与所述激光器连接的延迟函数发生器和与所述延迟函数发生器连接的数据采集器，所述数据采集器还分别和所述控制器、所述激光器连接，所述延迟函数发生器用于获取并调整所述激光器的当前信号，所述数据采集器采集调整后的信号并反馈给所述控制器，所述控制器通过所述数据采集器控制所述激光器输出脉冲信号；所述目标脉冲个数为10ⁿ，n为自然数。

可选地，所述连续可调谐功率器和所述待测样品之间沿所述输出光路方向还依次设有滤波片、二分之一波片和聚焦透镜；所述聚焦透镜和所述待测样品之间还设有第一分束片，所述第一分束片将所述激光器输出的激光分为三束方向不同的反射光，三束所述反射光分别入射所述待测样品、光斑形貌分析器和功率测量器，所述光斑形貌分析器和所述功率测量器分别和控制器连接。

可选地，所述损伤监控机构包括照明光源以及沿所述待测样品反射光路上依次设置的第二分束片和相机，所述照明光源照射所述第二分束片的入射面，所述照明光源出射的照明光束经所述第二分束片入射所述待测样品，所述待测样品反射所述照明光束并经所述第二分束片入射所述相机。

可选地，所述损伤监控机构还包括设在所述第二分束片和所述相机之间的透镜，通过所述透镜以放大所述待测样品的损伤形貌图像。

可选地，还包括驱动件和位移台，所述待测样品设置在所述位移台上，所述位移台和所述驱动件连接，所述驱动件和所述控制器连接，所述控制器通过所述驱动件控制所述待测样品移动，以得到所述待测样品不同位置的所述损伤形貌图像。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的连续可变波长损伤阈值测试装置，通过波长调谐机构改变激光器出射的激光的波长，使改变波长后的激光射向待测样品，待测样品将该激光吸收，引起待测样品损伤，再通过损伤监控机构获取待测样品的损伤形貌图像，并反馈给控制器，控制器进行分析和处理，得到待测样品的损伤阈值。通过本连续可变波长损伤阈值测试装置，能够在宽谱范围内可调谐的波长的条件下测试，能较准确地反映不同光学元件因材质或者镀膜的不同而受激光诱导的损伤程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的连续可变波长损伤阈值测试装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光损伤阈值测试流程图；

图3为本发明实施例提供的激光损伤阈值离焦量确定流程图。

图标:1-激光输出装置；1.1-激光器；1.2-光学参量放大器；2-连续可调谐功率器；2.1-衰减片；2.2-格兰棱镜；3-滤波片；4-二分之一波片；5-聚焦透镜；6-第一分束片；7-待测样品；8-位移台；9-照明光源；10-第二分束片；11-相机；12-光斑形貌分析器；13-功率测量器；14-控制器；15-数据采集器；16-延迟函数发生器；17-透镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在一般的损伤阈值测试系统中，缺少对应的硬件和软件对于宽谱范围内连续多波长范围内光学元器件进行激光损伤阈值的检测。由于不同光学元件的材质或者镀膜的不同，使用波段也各有区别，因此在对于不同光学元件进行损伤阈值测试的过程中，需要在宽谱范围内连续可调谐的波长。但现有的技术中采用多台激光器显然是不合理的，在本实施例中采用光学参量放大器1.2(OPA)对于宽谱范围内波长进行可变调谐，并采用格兰棱镜2.2和衰减片2.1对功率进行连续可变调节。现有的激光阈值测试系统并未采用软硬件联动的方式，例如在测试过程中无法控制激光脉冲个数，对于S-on-1的测试方法并无有效的解决手段。而激光系统的离焦量确定同样是重中之重，本实施例可通过Labview程序与硬件的联动，控制位移台8(三轴电机位移台)的移动和激光器1.1的出光，可实现离焦量的确定及激光损伤阈值测试的自动化测试，大大节约了时间并提高了准确性，并引入了可调节的激光脉冲数目，实现了脉冲激光1-on-1或者S-on-1多种测试方案的选择，这对于飞秒激光光学元件的损伤阈值测试是至关重要的。

具体地，请参照图1，本实施例提供一种连续可变波长损伤阈值测试装置，其包括激光器1.1，以及沿激光器1.1的输出光路上依次设置的波长调谐机构和损伤监控机构，待测样品7用于设置在波长调谐机构和损伤监控机构之间，激光器1.1输出的激光经波长调谐机构改变波长后射向待测样品7，损伤监控机构连接控制器14，控制器14接收损伤监控机构获取的待测样品7的损伤形貌图像。

待测样品7为光学元件，待测样品7设置在位移台8上，位移台8为三轴位移台，位移台8和驱动件(图1中未示出)连接，驱动件和控制器14连接，控制器14通过驱动件控制待测样品7移动，以得到待测样品7不同位置的损伤形貌图像。

控制器14控制驱动件动作，驱动件可为电机或气缸、油缸等，驱动件推动位移台8进行移动，以测试待测样品7不同的位置，得到待测样品7不同位置的损伤形貌图像，对待测样品7各位置受激光照射后的损伤情况进行全面分析，得到完整、全面和精确的检测结果。

激光器1.1输出激光，激光经波长调谐机构后，激光的波长可连续改变，波长调谐机构能够在宽谱范围内使激光的波长进行可变调谐，波长改变后的激光照射待测样品7，待测样品7吸收该激光后，待测样品7损伤，损伤形貌会呈现在待测样品7的表面，损伤监控机构获取该损伤形貌图像并反馈给控制器14，经控制器14分析、处理，完成对待测样品7损伤阈值的检测。

损伤监控机构包括照明光源9以及沿待测样品7反射光路上依次设置的第二分束片10和相机11，照明光源9照射第二分束片10的入射面，照明光源9出射的照明光束经第二分束片10入射待测样品7，待测样品7反射照明光束并经第二分束片10入射相机11。

激光器1.1出射的激光射向待测样品7后，被待测样品7吸收，损伤待测样品7的表面，照明光源9照射第二分束片10，第二分束片10将照明光源9的光(照明光束)反射向待测样品7，待测样品7再反射照明光源9的光，并经第二分束片10射向相机11，使得相机11能够清晰地拍摄待测样品7的损伤表面。

照明光源9提供了可见光，使得待测样品7损伤表面在光照下清晰可见，通过相机11反馈给控制器14，得到待测样品7的损伤形貌图像。

相机11可为CCD相机，照明光源9、第二分束片10、CCD相机构成损伤监控机构，CCD相机与控制器14连接以实时显示待测样品7的损伤形貌图像。

并且，为使相机11获得的损伤形貌图像更清楚，在第二分束片10和相机11之间还设置透镜17，通过透镜17以放大待测样品7反射的光斑，即待测样品的损伤形貌图像，有助于更好的监控损伤形貌。

损伤监控机构和激光系统在实际中可为同轴系统，透镜17可根据需要调整，换为物镜，最大可达50x，形成类似于光学显微镜效果。

本实施例提供的连续可变波长损伤阈值测试装置，通过波长调谐机构改变激光器1.1出射的激光的波长，使改变波长后的激光射向待测样品7，待测样品7将该激光吸收，引起待测样品7损伤，再通过损伤监控机构获取待测样品7的损伤形貌图像，并反馈给控制器14，控制器14进行分析和处理，得到待测样品7的损伤阈值。通过本连续可变波长损伤阈值测试装置，能够在宽谱范围内可调谐的波长的条件下测试，能较准确地反映不同光学元件因材质或者镀膜的不同而受激光诱导的损伤程度。

具体地，波长调谐机构为光学参量放大器1.2。激光器1.1和光学参量放大器1.2形成激光输出装置。光学参量放大器1.2(optical parameter放大器，简称OPA)是通过应用光学参量生成(简称OPG)来执行激光的波长转换的装置的总称。通过光学参量放大，通过计算机控制非线性介质的角度，只需触摸按钮即可产生各种波长的光。

示例地，光学参量放大器1.2能对1030nm波长的光进行非线性光学原理下的调谐，可输出波长范围为300nm～3000nm。

在波长调谐机构和待测样品7之间还设有连续可调谐功率器2，对激光器1.1出射的激光功率进行连续可变调节，以进一步提高激光损伤阈值的准确性。

连续可调谐功率器2包括沿输出光路依次设置的格兰棱镜2.2和衰减片2.1，即激光器1.1出射的激光依次经光学参量放大器1.2、格兰棱镜2.2和衰减片2.1，首先经过格兰棱镜2.2，格兰棱镜2.2对于线偏振的激光可以做到连续范围内的激光功率调谐，由于飞秒激光的瞬时功率很大，直接放置衰减片2.1对衰减片2.1造成不可逆伤害，因此首先放置格兰棱镜2.2，之后放置衰减片2.1。

连续可调谐功率器2和待测样品7之间沿输出光路方向还依次设有滤波片3、二分之一波片4和聚焦透镜5，激光器1.1出射的激光经衰减片2.1后，再经过滤波片3，由于光学参量放大器1.2输出激光会带有基频光需要滤波片3筛选出需要波长。二分之一波片4用来改变激光的偏振态用以调整需要的偏振。聚焦透镜5用来聚焦光斑使得测试时光斑足够小以达到足够的能量密度(可采用10x物镜或20x物镜)。

聚焦透镜5和待测样品7之间还设有第一分束片6，第一分束片6将激光器1.1输出的激光分为三束方向不同的反射光，三束反射光分别入射待测样品7、光斑形貌分析器12和功率测量器13，光斑形貌分析器12和功率测量器13分别和控制器14连接。

第一分束片6分出三束光分别进入待测样品7、光斑形貌分析器12、功率测量器13，光斑形貌分析器12和功率测量器13都和控制器14连接进行实时监测。

光斑形貌分析器12和功率测量器13用于反馈激光器1.1出射的激光依次经光学参量放大器1.2、格兰棱镜2.2、衰减片2.1、滤波片3、二分之一波片4和聚焦透镜5处理后的激光的参数。光斑形貌分析器12反馈光斑形貌给控制器14，功率测量器13反馈激光的功率给控制器14，以和通过控制器14得到使待测样品7受损的激光比对，体现激光对待测样品7的损伤情况。

另外，本连续可变波长损伤阈值测试装置还包括分别与控制器14和激光器1.1连接的脉冲控制机构，控制器14通过脉冲控制机构控制激光器1.1输出具有目标脉冲个数的激光。

为测得更准确的结构，需要在待测样品7不同的点上(>9)进行单脉冲或多脉冲数目的辐射，因此采用电机与信号的联动进行控制，整个流程如图2所示。

通过脉冲控制机构，控制激光器1.1输出具有目标脉冲个数的激光。

脉冲控制机构包括与激光器1.1连接的延迟函数发生器16和与延迟函数发生器16连接的数据采集器15，数据采集器15还分别和控制器14、激光器1.1连接，延迟函数发生器16用于获取并调整激光器1.1的当前信号，数据采集器15采集调整后的信号并反馈给控制器14，控制器14通过数据采集器15控制激光器1.1输出脉冲信号。

延迟函数发生器16用于获取激光目前内部的脉冲信号，并添加一个延迟任意、波形任意、频率任意的信号，以对激光进行调整，数据采集器15采集调整后的总信号(包括激光的当前内部信号和延迟任意、波形任意、频率任意的信号)并反馈给控制器14，控制器14通过数据采集器15控制激光的脉冲信号。

目标脉冲个数为10ⁿ，n为自然数，即目标脉冲个数为10、100、1000、10000……等。

激光器1.1输出信号进入延迟函数发生器16，之后进入数据采集器15做Trigger信号，而数据采集器15与控制器14连接输入信号后，用来控制激光器1.1的出光以及单脉冲多脉冲的调节。在整个阈值测试过程中，电机的移动和激光的出光联动形成自动化。在待测样品7不同的点上(>9)进行单脉冲或多脉冲数目的辐射，同一个点上单脉冲和多脉冲数目的辐射都要进行，脉冲数目为目标脉冲个数，即10ⁿ，因此系统采用驱动件与信号的联动进行控制，整个流程图如图2所示。

首先确定激光离焦量为零处的位置，即激光和照明光束共点，通过软件设置需要测试的脉冲个数(每个测试点)，之后程序自动执行，激光器1.1输出特定目标脉冲个数的激光(重频也可通过Trigger信号与软件输出信号共同作用下控制)，然后驱动件(电机)控制移动待测样品7(移动次数，即测量次数>5)，待测样品7可在X、Y、Z三轴方向上分别移动，再下一个位置继续输出特定目标脉冲个数的激光，以此往复在十个点以上输出特定目标脉冲个数的激光以满足测试要求，整个过程采用数据采集器15控制目标脉冲个数的控制以及重频的控制，并采用驱动件与激光器1.1协同实现自动化控制。

在激光加工过程中激光离焦量的确定是必须的，一般均采用试打点的方式，通过烧蚀光斑形貌寻找激光的焦点位置处(由于激光瑞利范围的限定，在离焦量为零附近烧蚀形貌成对称性)，因此可通过程序控制实现，在Z轴方向，打点移动，然后同时CCD成像系统观察，寻找激光焦点位置处，整个过程实现自动化控制，如图3所示。

综上，本实施例提供的连续可变波长损伤阈值测试装置，通过引入OPA进入宽谱范围内波长的可连续调谐，通过软、硬件结合实现激光损伤阈值的自动化测试，通过同时引入的成像、光斑测量、功率测量、连续功率可变等，提高激光损伤阈值的准确性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，包括激光器，以及沿所述激光器的输出光路上依次设置的波长调谐机构和损伤监控机构，待测样品用于设置在所述波长调谐机构和所述损伤监控机构之间，所述激光器输出的激光经所述波长调谐机构改变波长后射向所述待测样品，所述损伤监控机构连接控制器，所述控制器接收所述损伤监控机构获取的所述待测样品的损伤形貌图像。

2.根据权利要求1所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，所述波长调谐机构为光学参量放大器。

3.根据权利要求1所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，所述波长调谐机构和所述待测样品之间还设有连续可调谐功率器。

4.根据权利要求3所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，所述连续可调谐功率器包括沿所述输出光路依次设置的格兰棱镜和衰减片。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，还包括分别与所述控制器和所述激光器连接的脉冲控制机构，所述控制器通过所述脉冲控制机构控制所述激光器输出具有目标脉冲个数的所述激光。

6.根据权利要求5所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，所述脉冲控制机构包括与所述激光器连接的延迟函数发生器和与所述延迟函数发生器连接的数据采集器，所述数据采集器还分别和所述控制器、所述激光器连接，所述延迟函数发生器用于获取并调整所述激光器的当前信号，所述数据采集器采集调整后的信号并反馈给所述控制器，所述控制器通过所述数据采集器控制所述激光器输出脉冲信号；所述目标脉冲个数为10ⁿ，n为自然数。

7.根据权利要求3所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，所述连续可调谐功率器和所述待测样品之间沿所述输出光路方向还依次设有滤波片、二分之一波片和聚焦透镜；所述聚焦透镜和所述待测样品之间还设有第一分束片，所述第一分束片将所述激光器输出的激光分为三束方向不同的反射光，三束所述反射光分别入射所述待测样品、光斑形貌分析器和功率测量器，所述光斑形貌分析器和所述功率测量器分别和控制器连接。

8.根据权利要求1所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，所述损伤监控机构包括照明光源以及沿所述待测样品反射光路上依次设置的第二分束片和相机，所述照明光源照射所述第二分束片的入射面，所述照明光源出射的照明光束经所述第二分束片入射所述待测样品，所述待测样品反射所述照明光束并经所述第二分束片入射所述相机。

9.根据权利要求8所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，所述损伤监控机构还包括设在所述第二分束片和所述相机之间的透镜，通过所述透镜以放大所述待测样品的损伤形貌图像。

10.根据权利要求1所述的连续可变波长损伤阈值测试装置，其特征在于，还包括驱动件和位移台，所述待测样品设置在所述位移台上，所述位移台和所述驱动件连接，所述驱动件和所述控制器连接，所述控制器通过所述驱动件控制所述待测样品移动，以得到所述待测样品不同位置的所述损伤形貌图像。

Images