CN112730433A

CN112730433A - 一种激光损伤测试系统及方法

Info

Publication number: CN112730433A
Application number: CN202011568356.7A
Authority: CN
Inventors: 吕亮; 赵恒�; 张明骁; 蒲云体; 蔡超; 卢忠文; 乔曌; 彭东旭; 何祥
Original assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本发明公开了一种激光损伤测试系统及方法，系统包括激光产生装置、控制装置和获取装置，激光产生装置产生激光束并将激光束入射到控制装置，控制装置用于控制激光束的发射方向，以控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，获取装置获取测试元件的表面信息，以获得对于测试元件的测试结果。本发明通过控制输出的激光束的发射方向，来控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，能够提高测试频率，能够应用于小口径光斑的激光装置，提高激光损伤测试的效率。

Description

一种激光损伤测试系统及方法

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，特别是涉及一种激光损伤测试系统及方法。

背景技术

应用于高功率激光装置中的光学元件需要具备足够的抗激光损伤能力，以防其在承受高功率激光负载时发生损坏，影响高功率激光装置运行。

目前，常用的评价元件抗激光损伤能力的手段是采用激光损伤阈值测试方法，利用一组具备台阶特征参数的不同功率密度聚焦激光辐照元件表面的若干区域，通过统计光学元件在不同功率密度激光辐照下的损伤几率，得出确保该元件不发生损坏的最大激光功率密度，即为该元件的抗激光损伤阈值。元件的抗激光损伤阈值水平与元件加工过程产生的加工缺陷密切相关，通过测试元件的抗激光损伤阈值，有助于针对性的改善加工工艺，提升高功率激光元件的加工制造水平。

根据测试激光光斑大小，激光损伤测试装置可以分为小口径(＜1mm)装置、中口径(1mm～10mm)装置以及大口径(＞10mm)装置三个类别。由于目前进行损伤阈值测试用的激光光源出光频率大多在10Hz以下，大口径光斑相对于中口径以及小口径光斑可以在同等时间内覆盖更多测试区域，测试效率更高。

但是随着光斑口径的增大，需要的配套激光光源尺寸，激光传输以及聚焦镜片尺寸都会随之增大，由此会带来整个激光损伤测试装置成本的剧烈上升。并且随着光斑口径增大，激光能量在时间与空间尺度上的分布不均匀性也随之增大，这也将导致损伤测试结果的不确定性增加，对激光损伤阈值测试精度会带来不利影响。而相对而言，小口径光斑的时空分布稳定性更好，测试精度更高，并且配套的激光光源价格相对便宜，成本较低，但是由于激光器出光频率不高，采用小口径装置进行激光损伤测试花费的时间远超大口径装置。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种激光损伤测试系统及方法，能够应用于较小口径光斑，能够提高激光损伤测试的效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光损伤测试系统，包括激光产生装置、控制装置和获取装置，所述激光产生装置用于产生激光束并将激光束入射到所述控制装置，所述控制装置用于控制激光束的发射方向，以控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，所述获取装置用于获取所述测试元件的表面信息，以获得对于所述测试元件的测试结果。

优选的，所述控制装置包括第一反射元件和第二反射元件，激光束依次经过所述第一反射元件、所述第二反射元件反射而发射出，通过所述第一反射元件和所述第二反射元件控制激光束的发射方向。

优选的，所述控制装置包括用于将激光束汇聚而发射出的汇聚元件。

优选的，所述获取装置的位置可改变，或者所述获取装置的采集角度可改变。

优选的，还包括用于承载所述获取装置以及改变所述获取装置的位置的位移台。

优选的，所述激光产生装置包括激光源和能量控制装置，所述激光源用于产生激光束并将激光束入射到所述能量控制装置，所述能量控制装置用于调控激光束的能量。

优选的，所述激光产生装置包括分光装置和能量测量装置，所述分光装置用于将产生的激光束分出子光束，所述能量测量装置用于测量子光束的能量。

一种激光损伤测试方法，采用以上所述的激光损伤测试系统对测试元件进行测试。

优选的，包括：依次对测试元件测试区域的各个子测试区域扫描，在对每一子测试区域扫描过程中，以相同的激光能量对本子测试区域的多个位置辐照，所述测试元件的测试区域被划分为多个子测试区域。

优选的，对每一子测试区域，在对本子测试区域的各个位置辐照之前获取本子测试区域的表面信息，以及对本子测试区域的各个位置都辐照完成后，获取本子测试区域的表面信息。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种激光损伤测试系统包括激光产生装置、控制装置和获取装置，激光产生装置产生激光束并将激光束入射到控制装置，控制装置用于控制激光束的发射方向，以控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，获取装置获取测试元件的表面信息，以获得对于测试元件的测试结果。

本发明的激光损伤测试系统通过控制输出的激光束的发射方向，来控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，能够提高测试频率，能够应用于小口径光斑的激光装置，提高激光损伤测试的效率。

本发明提供的一种激光损伤测试方法，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光损伤测试系统的示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种激光损伤测试系统的示意图；

图3为本发明实施例的激光损伤测试方法在测试元件的测试区域划分子测试区域的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本实施例提供的一种激光损伤测试系统的示意图，由图可知，所述激光损伤测试系统包括激光产生装置10、控制装置11和获取装置12，所述激光产生装置10用于产生激光束并将激光束入射到所述控制装置11，所述控制装置11用于控制激光束的发射方向，以控制改变投射到测试元件15表面的激光光斑的位置，所述获取装置12用于获取所述测试元件15的表面信息，以获得对于所述测试元件15的测试结果。

激光产生装置10发出的激光束入射到控制装置11，控制装置11能够控制激光束的发射方向，将激光束投射到测试元件15表面，并且通过控制激光束的发射方向能控制改变投射到测试元件15表面的激光光斑的位置，从而对测试元件15进行测试。

本实施例的激光损伤测试系统通过控制输出的激光束的发射方向，来控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，能够提高测试频率，能够应用于小口径光斑的激光装置，提高激光损伤测试的效率。

下面结合具体实施方式对本激光损伤测试系统进行详细说明。

可选的请参考图2，激光产生装置10可包括激光源100和能量控制装置101，激光源100用于产生激光束并将激光束入射到所述能量控制装置101。激光源100产生的激光波长、功率密度要求能够满足测试要求，比如激光单脉冲聚焦光斑的峰值功率密度应高于10¹¹W/cm²，以保证对测试能量台阶的全覆盖。激光源100可选用高重频激光器，能够提供较高的出光频率。

能量控制装置101用于调控激光束的能量，以根据对测试元件15的测试要求形成不同大小的激光能量，提供激光能量台阶。

进一步的请参考图2，激光产生装置10还可包括设置在激光源100和能量控制装置101之间光路上的扩束装置102，用于调控激光束的径向尺寸，比如通过扩束装置102能够扩大激光束形成光斑口径，使得激光束的能量不会过于集中，避免激光束能量太高而损坏系统的各元件。

激光产生装置10还可包括光闸103，用于允许或者阻断激光束通过，本测试系统通过光闸103控制激光的输出以及输出激光的频率。可以将光闸103设置在激光源100和扩束装置102之间。

进一步优选的，激光产生装置10还可包括分光装置104和能量测量装置105，所述分光装置104用于将产生的激光束分出子光束，所述能量测量装置105用于测量子光束的能量大小，根据子光束的能量能够监测投射到测试元件的激光能量，从而可以在测试过程中实时地监测投射到测试元件的激光能量。优选的参考图2所示，可以在能量控制装置101和控制装置11之间光路上设置分光装置104。可选的，分光装置104可采用但不限于劈尖棱镜。能量测量装置105可采用但不限于能量计。

控制装置11用于控制激光束的发射方向，使激光束投射到测试元件15表面，以及控制改变投射到测试元件15表面的激光光斑的位置。可选的，控制装置11可包括第一反射元件和第二反射元件，激光束依次经过所述第一反射元件、所述第二反射元件反射而发射出，通过所述第一反射元件和所述第二反射元件控制激光束的发射方向。具体通过第一反射元件和第二反射元件对激光传输方向的引导作用，能够控制投射到表面的激光光斑在二维平面内的位置，从而形成二维扫描平面。

进一步的可参考图2，控制装置11还可包括汇聚元件110，用于将激光束汇聚而发射出，使激光束汇聚而发射到测试元件15。可选的，汇聚元件110可包括一个或者多个透镜。控制装置11还可包括驱动电机，驱动电机与第一反射元件和第二反射元件分别相连，通过驱动电机驱动第一反射元件或者第二反射元件改变角度，进而实现控制改变激光束的发射方向。

可选的，获取装置12可采用摄像装置，通过摄像装置获取测试元件15的图像。优选的，获取装置12的位置可改变，或者获取装置12的采集角度可改变，或者获取装置12的位置可改变以及获取装置12的采集角度可改变。在对元件测试过程中，随着投射到测试元件15的激光光斑改变位置，可调整获取装置12的位置或者调整获取装置12的采集角度，根据测试元件15上测试区域的变化调整获取装置12的观测区域，以能够准确地获取到测试元件15当前辐照位置的信息。

可选的，可设置用于承载获取装置12以及能够改变获取装置12的位置的位移台13，将获取装置12安装在位移台13上，通过位移台13调控获取装置12的位置。

优选的，本实施例系统还包括照明装置14，用于向测试元件15照明，以保证获取装置12能够获取到清晰准确的测试元件15的表面信息。

相应的，本发明实施例还提供一种激光损伤测试方法，采用以上所述的激光损伤测试系统对测试元件进行测试。

本实施例的激光损伤测试方法，所使用的激光损伤测试系统包括激光产生装置、控制装置和获取装置，激光产生装置产生激光束并将激光束入射到控制装置，控制装置用于控制激光束的发射方向，以控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，获取装置获取测试元件的表面信息，以获得对于测试元件的测试结果。本激光损伤测试方法通过控制输出的激光束的发射方向，来控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，能够提高测试频率，能够应用于小口径光斑的激光装置，提高激光损伤测试的效率。

优选的，本实施例激光损伤测试方法将测试元件的测试区域划分为多个子测试区域，具体依次对测试元件测试区域的各个子测试区域扫描，在对每一子测试区域扫描过程中，以相同的激光能量对本子测试区域的多个位置辐照。

示例性的请参考图3，将测试元件的测试区域划分为m行n列子测试区域，m＝[b/H]，n＝[a/W]，其中m表示不超过b/H的正整数，n表示不超过a/W的正整数，a、b分别表示测试元件的测试区域的长度、宽度，H、W分别表示获取装置的视场高度、视场宽度。对同一子测试区域以恒定的激光能量辐照，各子测试区域采用的一系列能量台阶值为J₁、J₂、…、J_k。

根据控制装置的转速ω、工作距离WD、测试点间隔d调整激光产生装置的出光频率k，满足k＜WD×ω/d。对测试元件的子测试区域的测试时间满足T＞t_on+t_off，其中，T表示子测试区域的测试时间，t_on表示激光作用时间，t_off表示激光空闲时间。

对于每一子测试区域，在对本子测试区域的各个位置辐照之前获取本子测试区域的表面信息，以及对本子测试区域的各个位置都辐照完成后，获取本子测试区域的表面信息，进而根据对子测试区域辐照之前的表面信息以及辐照之后的表面信息获得对测试元件的测试结果。

具体的，本实施例的激光损伤测试方法使用上述激光损伤测试系统的流程如下：

步骤1：确定激光损伤测试参数。

根据振镜转速ω、工作距离WD、测试点间隔d调整激光器的出光频率k，满足k＜WD×ω/d。根据测试元件测试区域的长度a、宽度b以及获取装置的视场高度H、视场宽度W，将测试区域划分为m行n列子测试区域。确定对子测试区域的测试时间T。

步骤2：测试前准备。

打开激光器，调整测试光路以及测试装置各模块工作正常性，做好正式测试前的准备工作。

步骤3：激光损伤测试。

打开测试软件，输入测试参数，按照拟定的测试流程开始激光损伤测试。

步骤4：统计分析测试结果。

测试完成后，利用软件自带的分析功能整理数据，进行拟合分析，得出测试结果。

现有技术中尽管随着激光器技术的快速发展，已经出现了出光频率在kHz甚至MHz量级的高重频激光器，但是由于目前激光损伤阈值测试装置采用“光路固定，样品移动”的测试方式，受限于样品台的位移速度，损伤阈值测试效率难以进一步提升，这也导致高重频激光器目前仍然较少用于激光损伤阈值测试。而本实施例的激光损伤测试方法通过控制输出的激光束的发射方向，来控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，能够提高测试频率，能够应用于小口径光斑的激光装置，在保持小口径光斑测试的测试精度情况下，提高激光损伤测试的效率。

以上对本发明所提供的一种激光损伤测试系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种激光损伤测试系统，其特征在于，包括激光产生装置、控制装置和获取装置，所述激光产生装置用于产生激光束并将激光束入射到所述控制装置，所述控制装置用于控制激光束的发射方向，以控制改变投射到测试元件表面的激光光斑的位置，所述获取装置用于获取所述测试元件的表面信息，以获得对于所述测试元件的测试结果。

2.根据权利要求1所述的激光损伤测试系统，其特征在于，所述控制装置包括第一反射元件和第二反射元件，激光束依次经过所述第一反射元件、所述第二反射元件反射而发射出，通过所述第一反射元件和所述第二反射元件控制激光束的发射方向。

3.根据权利要求1所述的激光损伤测试系统，其特征在于，所述控制装置包括用于将激光束汇聚而发射出的汇聚元件。

4.根据权利要求1所述的激光损伤测试系统，其特征在于，所述获取装置的位置可改变，或者所述获取装置的采集角度可改变。

5.根据权利要求4所述的激光损伤测试系统，其特征在于，还包括用于承载所述获取装置以及改变所述获取装置的位置的位移台。

6.根据权利要求1所述的激光损伤测试系统，其特征在于，所述激光产生装置包括激光源和能量控制装置，所述激光源用于产生激光束并将激光束入射到所述能量控制装置，所述能量控制装置用于调控激光束的能量。

7.根据权利要求1所述的激光损伤测试系统，其特征在于，所述激光产生装置包括分光装置和能量测量装置，所述分光装置用于将产生的激光束分出子光束，所述能量测量装置用于测量子光束的能量大小。

8.一种激光损伤测试方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的激光损伤测试系统对测试元件进行测试。

9.根据权利要求8所述的激光损伤测试方法，其特征在于，包括：依次对测试元件测试区域的各个子测试区域扫描，在对每一子测试区域扫描过程中，以相同的激光能量对本子测试区域的多个位置辐照，所述测试元件的测试区域被划分为多个子测试区域。

10.根据权利要求9所述的激光损伤测试方法，其特征在于，对每一子测试区域，在对本子测试区域的各个位置辐照之前获取本子测试区域的表面信息，以及对本子测试区域的各个位置都辐照完成后，获取本子测试区域的表面信息。