CN113670581B - 一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统及方法，分光镜用于将激光器发射的激光分为两束激光；其中一束激光用于作为泵浦光照射到样品表面诱导损伤；另一束激光经透镜汇聚激发电离空气，产生两束具有相同脉宽和光谱范围的瞬态白光；设置两个透镜组用于收集瞬态白光，经透镜组处理的其中一束瞬态白光作为参考光，经光纤I收集于光谱仪；另一束瞬态白光作为探针光，经光纤II传递至样品处，与泵浦光一通聚集于样品上的相同位置。本发获得两束光谱成分和强度基本一致的两束宽光谱瞬态白光，验证了双光速瞬态吸收装置的可行性，提出双光束瞬态测试方法，研究光学元件在紫外激光辐照下瞬态吸收特性。

Description

一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统及方法
技术领域
本发明涉及光学元件损伤探测技术领域，具体涉及一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统及方法。
背景技术
目前，在惯性约束聚变装置中80％的光学元件是由熔石英构成。熔石英元件在紫外区域(355nm)损伤最为严重，而熔石英元件紫外波段损伤问题，是制约高功率激光系统发展的技术瓶颈。国内外对于损伤问题的研究主要集中在熔石英元件的表面，主要是因为抛光会引入大量的表面缺陷和划痕。缺陷和划痕对光场的调制作用，会导致元件局部光场增强，进而降低元件的损伤阈值。对于熔石英元件损伤动力学的研究较少，探测光一般为基频(1064nm)和三倍频(355nm)的纳秒激光。
发明内容
基于上述背景技术，本发明提供了一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统及方法，利用纳秒激光离化空气产生瞬态白光光谱的方法，获得两束光谱成分和强度基本一致的两束宽光谱瞬态白光，验证了双光速瞬态吸收装置的可行性，提出双光束瞬态测试方法，研究光学元件在紫外激光辐照下瞬态吸收特性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统，包括激光器、分光镜、透镜、透镜组和光谱仪；所述激光器用于发射激光；所述分光镜用于将激光器发射的激光分为两束激光；其中一束激光用于作为泵浦光照射到样品表面诱导损伤；另一束激光经透镜汇聚激发电离空气，产生两束具有相同脉宽和光谱范围的瞬态白光；设置两个透镜组用于收集瞬态白光，经透镜组处理的其中一束瞬态白光作为参考光，经光纤I收集于光谱仪；另一束瞬态白光作为探针光，经光纤II传递至样品处，与泵浦光一同聚集于样品上的相同位置；所述光谱仪还用于通过光纤III收集探针光。
进一步优选，还包括劈板和能量卡计，所述劈板用于将泵浦光分为两束，一束用于能量卡计实时监测激光器输出的能量，另一束用于诱导样品产生损伤。
进一步优选，还包括透镜I，所述透镜I用于将泵浦光聚焦在样品上。
进一步优选，在沿泵浦光的传输路线上还设有若干反光镜，若干反光镜依次布置作为泵浦光延时路线。
进一步优选，所述透镜组由两个焦距相同的透镜构成；优选所述透镜组由两个焦距为5cm的透镜构成，两个透镜中心之间的距离大致为5cm左右。
一种用于光学元件的瞬态吸收测试方法，包括以下步骤：
启动激光器，由激光器发出的激光经分光镜分为两束激光；其中一束激光作为泵浦光照射到样品表面诱导损伤；另一束激光经透镜汇聚激发电离空气，产生两束具有相同脉宽和光谱范围的瞬态白光；设置两个透镜组收集瞬态白光，经透镜组处理的其中一束瞬态白光作为参考光，经光纤I收集于光谱仪；另一束瞬态白光作为探针光，经光纤II传递至样品处，与泵浦光一同聚集于样品上的相同位置；光谱仪通过光纤III收集探针光，获取样品的吸收率。
进一步优选，样品的吸收率的绝对值通过如下公式进行计算：
Figure GDA0003688720720000021
其中，refn是泵浦光没有作用时瞬态白光通过样品的光谱，samplen指代主激光作用瞬间通过样品的探针光的光谱，darkn指代泵浦光和探针光均未经过样品时暗室的背景光，scan指代主激光作用瞬间样品对主激光的散射光。
进一步优选，所述激光器采用纳秒脉冲激光器，纳秒脉冲激光器的参数设计为：主激光脉宽为6.8ns，泵浦光为355nm。
进一步优选，主激光作用在样品前表面光斑的半径为2mm。
进一步优选，所述光谱仪的积分时间为1000ms。
本发明具有如下的优点和有益效果：
目前对光学元件损伤和损伤增长研究较多，对于元件亚损伤过程研究较少；对元件表面损伤的研究较多，而针对元件体损伤研究较少；对于元件损伤之后结构和性质的变化研究较多，对于损伤动力学的研究较少。
为了研究光学元件在紫外区域的光学特性，本发明搭建瞬态吸收测试平台，激光电离空气产生超连续谱，在电离点的对称位置处获得两束光谱成分和强度基本一致的两束宽光谱瞬态白光，研究了355nm紫外激光辐照下光学元件对瞬态白光的吸收情况，首次提出双光束瞬态测试方法，可以进一步从加深对光学元件在紫外激光辐照下瞬态吸收特性的理解。从瞬态吸收的角度，使用该方法可以进一步研究光学元件，如熔石英在紫外激光辐照下瞬态吸收特性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是355nm紫外激光诱导光学元件双光束瞬态吸收实验装置图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-激光器，2-反光镜，3-劈板，4-透镜I，5-样品，6-能量卡计，7-透镜组，8-透镜II，9-分光镜，10-光谱仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统，包括激光器1、反光镜2、劈板3、透镜I4、分光镜9、透镜8、透镜组7和光谱仪10；
所述激光器1用于发射激光，激光器1采用纳秒脉冲激光器，纳秒脉冲激光器的参数设计为：主激光脉宽为6.8ns，泵浦光为355nm。
所述分光镜9用于将激光器1发射的激光分为两束激光；其中一束激光用于作为泵浦光，泵浦光依次通过三个反光镜2延时，最终经透镜I4聚焦照射到样品5表面诱导损伤；另一束激光经一个反光镜2(区别于泵浦光路上的三个反光镜2)改变路径、然后经透镜8汇聚激发电离空气，利用355nm紫外激光电离空的方法，产生两束具有相同脉宽和光谱范围的瞬态白光；
设置两个透镜组7构成白光收集系统，用于收集瞬态白光，经透镜组7处理的其中一束瞬态白光作为参考光，经光纤I收集于光谱仪10；另一束瞬态白光作为探针光，经光纤II传递至样品处，与泵浦光一同聚集于样品5上的相同位置；
光谱仪10还用于通过光纤III收集探针光。
此外，关于透镜组7的设计：透镜组7的作用是将搜集瞬态白光的，由两个焦距为5cm的透镜构成。聚焦之后的瞬态白光呈发散的状态，瞬态白光经过左侧的透镜后成平行光，然后经过右侧的透镜后聚焦于光纤探头。其中，两个透镜中心之间的距离大致为5cm左右。
此外，关于图1中，样品5前后的(除透镜I4)的两组透镜的设计：(一)样品5前的两个透镜组合，其目的是将经过光纤II之后的发散的瞬态白光聚焦于样品的后表面，两个透镜之间的焦距分别为5cm和15cm。其中，小口径的透镜的焦距为5cm，大口径的透镜的焦距为15cm。经过两个透镜组构成的光斑缩束系统之后，瞬态白光的光斑直径为原来光斑直径的3倍。(二)样品5后的两个透镜组合，其目的是将经过样品之后的瞬态白光聚焦于光谱仪的光纤探头，这两个透镜组合构成光斑的扩束系统。两个透镜组的焦距和透镜的口径与样品5前的两个透镜组合相同，其焦距也分别为5cm和15cm。
实施例2
本实施例提供了一种用于光学元件的瞬态吸收测试方法，采用实施例1提供的用于光学元件的瞬态吸收测试系统进行测试，具体步骤如下所示：
步骤1：启动激光器，由激光器发出的激光经分光镜分为两束激光；其中一束激光作为泵浦光照射到样品表面诱导损伤；另一束激光经透镜汇聚激发电离空气，产生两束具有相同脉宽和光谱范围的瞬态白光；
步骤2：设置两个透镜组收集瞬态白光，经透镜组处理的其中一束瞬态白光作为参考光，经光纤I收集于光谱仪，引入参考光的主要目的是为了避免激光能量波动对实验结果的影响；另一束瞬态白光作为探针光，经光纤II传递至样品处，与泵浦光一同聚集于样品5上的相同位置；
步骤3：光谱仪通过光纤III收集探针光，获取样品的吸收率。
样品的吸收率的绝对值通过如下公式进行计算：
Figure GDA0003688720720000041
其中，refn是泵浦光没有作用时瞬态白光通过样品的光谱，samplen指代主激光作用瞬间通过样品的探针光的光谱，darkn指代泵浦光和探针光均未经过样品时暗室的背景光，scan指代主激光作用瞬间样品对主激光的散射光。其中，主激光是指分束镜9之前的激光；主激光可以分为泵浦光和探针光，主激光的能量等于泵浦光和探针光的能量之和，它们之间满足能量守恒定律。
此外，关于参数优选设计为：激光器采用纳秒脉冲激光器，纳秒脉冲激光器的参数设计为：主激光脉宽为6.8ns，泵浦光为355nm，激光器能量的波动约为5％；主激光作用在样品前表面光斑的半径为2mm；光谱仪的积分时间为1000ms。
当355nm的基频光辐照熔石英元件，熔石英元件的初始损伤通常发生在光学元件的后表面，元件后表面较容易损伤的主要的原因是，主激光作用时熔石英元件的前表面有空气等离子体作为保护层。
实施例3
在实施例2的基础上进一步改进，实验步骤如下所示：
(1)首先调节白光和光纤的耦合角度(此处的白光是指光谱范围为400-600nm的可见光；光纤是指图1中的7右侧的探头以及光谱仪10右侧的带探头的光纤)，获得两束光谱成分和强度几乎相同的两束瞬态白光。
(2)用透镜系统(此处的透镜系统指代样品5右侧的透镜组合，也就是瞬态白光的光斑缩束系统，两个透镜的焦距为5cm和15cm，聚焦之后的光斑的直径是未使用透镜组合的1/3)改变瞬态白光的光斑直径，使得瞬态白光的光斑能量较高而且直径约为1mm左右；调节泵浦光光谱(即调节泵浦激光的光斑；是通过透镜I4调节；改变透镜I4的前后、左右、上下和俯仰角度，即可改变聚焦的泵浦激光的光斑直径和光斑的能量分布；调节泵浦光谱本质是调节光斑直径和光斑的能量分布；也可以说是改变泵浦光的传播路径)，使泵浦光和探针光重合于光学元件前表面的同一点。
(3)改变透镜I4和样品之间的距离，获得合适的主激光光斑，改变激光参数(主要是指泵浦激光的输出能量)，获得样品恰好不发生亚损伤的通量阈值。
(4)改变光纤(此处的“光线”指代的是透镜组7右侧的光纤；改变光纤的长度就可以改变探针光走过的光程，也就是泵浦激光和探针光之间的光程差是不同的，这样就可以研究泵浦激光加载下光学材料的瞬态动力学过程)长度，研究不同延时、发次和能量下样品瞬态吸收率的变化。
透镜II8的焦点处的功率密度足够高，空气中可以产生自聚焦现象。高功率紫外激光电离空气时，在高功率激光强场中不同的原子、分子和离子相互作用。将入射在靶面的激光能量固定为126.9mJ。随机采取十组数据，分别进行归一化处理，得到两束光谱成分和强度完全相同的瞬态白光。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统，其特征在于，包括激光器(1)、分光镜(9)、透镜(8)、透镜组(7)和光谱仪(10)；
所述激光器(1)用于发射激光；
所述分光镜(9)用于将激光器(1)发射的激光分为两束激光；其中一束激光用于作为泵浦光照射到样品(5)表面诱导损伤；另一束激光经透镜(8)汇聚激发电离空气，产生两束具有相同脉宽和光谱范围的瞬态白光；
设置两个透镜组(7)用于收集瞬态白光，经透镜组(7)处理的其中一束瞬态白光作为参考光，经光纤I收集于光谱仪(10)；另一束瞬态白光作为探针光，经光纤II传递至样品处，与泵浦光一同聚集于样品(5)上的相同位置；
所述光谱仪(10)还用于通过光纤III收集探针光。
2.根据权利要求1所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统，其特征在于，还包括劈板(3)和能量卡计(6)，所述劈板(3)用于将泵浦光分为两束，一束用于能量卡计(6)实时监测激光器(1)输出的能量，另一束用于诱导样品(5)产生损伤。
3.根据权利要求1所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统，其特征在于，还包括透镜I(4)，所述透镜I(4)用于将泵浦光聚焦在样品(5)上。
4.根据权利要求1所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统，其特征在于，在沿泵浦光的传输路线上还设有若干反光镜(2)，若干反光镜(2)依次布置作为泵浦光延时路线。
5.根据权利要求1所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试系统，其特征在于，所述透镜组(7)由两个焦距相同的透镜构成。
6.一种用于光学元件的瞬态吸收测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
启动激光器，由激光器发出的激光经分光镜分为两束激光；其中一束激光作为泵浦光照射到样品表面诱导损伤；另一束激光经透镜汇聚激发电离空气，产生两束具有相同脉宽和光谱范围的瞬态白光；
设置两个透镜组收集瞬态白光，经透镜组处理的其中一束瞬态白光作为参考光，经光纤I收集于光谱仪；另一束瞬态白光作为探针光，经光纤II传递至样品处，与泵浦光一同聚集于样品上的相同位置；
光谱仪通过光纤III收集探针光，获取样品的吸收率。
7.根据权利要求6所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试方法，其特征在于，样品的吸收率的绝对值通过如下公式进行计算：
Figure FDA0003633496090000011
其中，refn是泵浦光没有作用时瞬态白光通过样品的光谱，samplen指代主激光作用瞬间通过样品的探针光的光谱，darkn指代泵浦光和探针光均未经过样品时暗室的背景光，scan指代主激光作用瞬间样品对主激光的散射光。
8.根据权利要求6所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试方法，其特征在于，所述激光器采用纳秒脉冲激光器，纳秒脉冲激光器的参数设计为：主激光脉宽为6.8ns，泵浦光为355nm。
9.根据权利要求6所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试方法，其特征在于，主激光作用在样品前表面光斑的半径为2mm。
10.根据权利要求6所述的一种用于光学元件的瞬态吸收测试方法，其特征在于，所述光谱仪的积分时间为1000ms。
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