CN113984658B - 基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法及损伤测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法及损伤测试系统。通过对脉冲序列进行时域整形，改变脉冲序列时域包络形状，可以实现对光学元件损伤特性的调控。基于脉冲序列的元件损伤测试系统可以输出子脉冲能量比、间隔、数目、偏振均可独立调节的脉冲序列，可以满足不同种类脉冲序列的激光损伤特性调控及损伤测试条件，为探究元件损伤机理和提高元件损伤性能提供实验平台。
Description
技术领域
本发明涉及对损伤特性的调控和光学检测领域，特别涉及一种基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法及损伤测试系统。
背景技术
光学元件的激光损伤是限制大功率激光器件输出能力的瓶颈问题。对光学元件的损伤测试以及损伤机理的研究是增强元件损伤机理认知的重要过程，实现对损伤阈值和损伤点形貌等特性的调控是提升元件性能的重要目的。
激光诱致损伤与激光脉冲作用时间、功率密度和能量密度(即通量)密切相关，所以激光脉冲时域特性(例如脉宽和形状)对损伤阈值和损伤形貌等特性产生重要影响。首先，对于大多数光学元件，损伤阈值通量和脉冲宽度符合幂指数关系。第二，不同形状的激光脉冲会引起不同的损伤效应，相同脉宽的高斯脉冲和平顶脉冲引起的损伤阈值和损伤坑密度会有差异。第三，脉冲整形或脉宽优化的低通量激光与缺陷相互作用，有效抑制缺陷引起的损伤，从而提高损伤阈值，即激光预处理效果。第四，延时可调的双脉冲也可看作是时域整形的另一种方式，通过调节泵浦-探针两子脉冲的时间间隔，在3.3-1000ps延迟时间范围内观察到了不同的损伤阈值和形貌。
尽管现有脉冲时域整形用不同方式进行损伤特性的对比和研究，但未曾出现使用脉冲序列的时域整形的方式进行元件的损伤特性调控和激光损伤测试。脉冲序列可以对激光脉冲的能量密度和功率密度进行调控，实现对电子动力学过程和热效应的精确控制。本发明中，通过脉冲序列时域整形，实现对光学元件损伤特性的调控；基于脉冲序列的元件损伤特性调控系统可以满足不同种类脉冲序列的激光损伤调控及测试条件，为探究元件损伤机理和提高元件损伤性能提供实验平台。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法及损伤测试系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，对脉冲序列进行时域整形，通过改变子脉冲的能量比、数量、间隔和/或偏振，控制脉冲序列的包络形状和偏振状态；
然后，将时域整形后的脉冲序列聚焦到待测样品表面；
最后，调节脉冲序列总能量，对待测样品进行辐照，得到对应的损伤特性。
优选的，控制脉冲序列的包络形状，具体方法如下：
1)当调节脉冲序列包络为子脉冲能量比随时间递增的形状时，起到激光调节的作用，样品损伤点密度会逐渐减小，深度会逐渐减小；
2)当调节脉冲序列包络为子脉冲能量比随时间递减的形状时，样品损伤点密度会逐渐增大，深度会逐渐增大；
优选的，所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法，子脉冲数目不做限定，子脉冲数目越多，序列脉冲越接近于其包络脉冲。
优选的，所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法，子脉冲宽度τp为10fs-10ns量级。
优选的，所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法，脉冲时间间隔Δτ为ps-ns量级。
优选的，所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控方法，样品为KDP类晶体或者熔石英类材料。
优选的，所述一种基于脉冲序列的元件损伤特性调控的系统，包括：超短脉冲激光器、第一半波片、格兰棱镜、脉冲序列产生模块、第三半波片、第二偏振分光棱镜、聚焦透镜、取样镜、光束质量分析仪、能量计、待测样品、放大成像系统、CCD相机；所述的超短脉冲激光器输出高能量脉冲光经第一半波片和格兰棱镜调节脉冲能量后，射入脉冲序列产生模块，所述的脉冲序列产生模块由n(n＝1，2，…)个脉冲序列产生单元串联构成，通过对脉冲序列产生单元进行复制，重复脉冲分束、延迟、合束功能，产生多参量调谐的脉冲序列，脉冲序列数目2n内可调节；所述的脉冲序列经第三半波片、第二偏振分光棱镜进行脉冲序列偏振选择后，依次通过聚焦透镜和取样镜，聚焦在在待测样品的表面；经所述的取样镜前表面反射的前反射光通过光束质量分析仪进行光斑尺寸监测，经所述的取样镜后表面反射的后反射光通过能量计进行能量记录；待测样品烧蚀损伤通过放大成像系统放大后，由CCD相机接收。
优选的，所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控系统，其特征在于，所述的脉冲序列产生单元包括：第二半波片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一0°全反镜、第二四分之一波片、第二0°全反镜；入射单脉冲经过第二半波片实现该脉冲序列产生单元能量比控制后，经所述的第一偏振分光棱镜分为S偏振光和P偏振光，所述的S偏振光依次经第一四分之一波片和第一0°全反镜后，沿原来返回至第一偏振分光棱镜，所述的P偏振光经第二四分之一波片、第二0°全反镜，沿原来返回至第一偏振分光棱镜，通过移动第一0°全反镜或第二0°全反镜，调节这两个光路臂的光程差，实现子脉冲时间延迟Δτ连续可调节；所述的S偏振光和P偏振光在第一偏振分光棱镜合束后出射。
优选的，所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控系统，其特征在于，可选择脉宽在飞秒、皮秒等不同脉宽的激光器；通过倍频晶体谐波转换，采用激光脉冲相应波长的反射镜和晶体，满足不同波长的元件损伤测试实验要求。
优选的，基于脉冲序列的元件损伤特性调控系统，其特征在于，所述系统可作为基于脉冲序列的元件损伤测试系统(子脉冲数目>2个)，满足不同种类脉冲序列的激光损伤测试条件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出一种基于脉冲序列的损伤特性调控方法，通过脉冲序列时域整形，可以实现对光学元件的损伤特性的调控。
2、本发明提出一种基于脉冲序列的元件损伤调控系统，可以输出子脉冲能量比、间隔、数目、偏振均可独立调节的脉冲序列。
3、基于脉冲序列的元件损伤调控系统，可作为损伤测试系统，可以满足不同种类脉冲序列的激光损伤调控及测试条件，为探究元件损伤机理和提高元件损伤性能提供实验平台。
4、脉冲序列可以实现对激光脉冲的能量密度和功率密度进行调控，实现对电子动力学过程和热效应的精确控制。脉冲序列为预处理和微缺陷抑制研究提供了全新视角和重要工具。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于脉冲序列实验光路的结构示意图。
图2为本发明典型的经过时域整形和偏振控制的脉冲序列，其中，(a)～(d)为脉冲序列时域整形图例；(e)～(h)为脉冲序列偏振控制图例；
图3为本发明实施例基于脉冲序列对损伤形貌进行调控的实验效果图，其中，(a)～(c)为不同脉冲序列包络下损伤点形貌图。
附图标记：1、激光器，2、第一半波片，3、格兰棱镜，4、第二半波片，5、第一偏振分光棱镜，6、第一四分之一波片，7、第一0°全反镜，8、第二四分之一波片，9、第二0°全反镜，10、第三半波片，11、第二偏振分光棱镜，12、聚焦透镜，13、取样镜，14、光束质量分析仪，15、能量计，16、待测样品，17、放大成像系统，18、CCD相机，19、脉冲序列产生模块。
具体实施方式
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做进一步说明。
实施例1
基于双脉冲序列的元件损伤特性调控方法，具体步骤如下：
步骤一，构建实验光路如图1所示：Nd:YLF皮秒激光器1输出重复频率1Hz，峰值能量80mJ、脉冲宽度τp8.9 ps，波长1053nm的高能量脉冲光，经第一半波片2和格兰棱镜3调节脉冲能量进入脉冲序列产生模块19，所述的脉冲序列产生模块19由n(n＝1)个脉冲序列产生单元构成，产生脉冲序列数目为2的双脉冲序列；经第三半波片10和第二偏振分光棱镜11，选择第二偏振分光棱镜11透过光输出P偏振序列脉冲，依次通过300mm聚焦透镜12和取样镜13，聚焦在K9待测样品16的表面；经所述的取样镜13前表面反射的前反射光通过光束质量分析仪14进行光斑尺寸监测，经所述的取样镜13后表面反射的后反射光通过能量计15进行能量记录；待测样品16烧蚀损伤通过放大成像系统17放大后，由CCD相机18接收。
所述的脉冲序列产生单元：入射单脉冲经过第二半波片4实现该脉冲序列产生单元能量比控制后，经所述的第一偏振分光棱镜5分为S偏振光和P偏振光，所述的S偏振光依次经第一四分之一波片6和第一0°全反镜7后，沿原来返回至第一偏振分光棱镜5，所述的P偏振光经第二四分之一波片8、第二0°全反镜9，沿原来返回至第一偏振分光棱镜5，通过移动第一0°全反镜7或第二0°全反镜9，调节这两个光路臂的光程差，实现子脉冲时间延迟Δτ在10ps-20ns连续可调节；所述的S偏振光和P偏振光在第一偏振分光棱镜5合束后出射。
步骤二、控制脉冲序列的包络形状进行损伤特性调控：
首先，对双脉冲序列进行时域整形，高精度移动第一0°全反镜7，固定脉冲延迟Δτ为605ps，即双脉冲序列宽度τeff为605ps，通过旋转第二半波片4角度，改变子脉冲的能量比，控制脉冲序列的包络形状；
然后，将时域整形后的P偏振脉冲序列，通过300mm聚焦透镜12保持激光焦点垂直聚焦到K9待测样品16表面；
最后，通过旋转第一半波片2角度调节脉冲序列总能量略高于样品损伤阈值，对K9待测样品16进行辐照，得到不同的损伤形貌特性。
其中，所述双脉冲序列能量比η定义为：第一子脉冲通量占两个子脉冲总通量的百分比，即η＝φ1st/(φ1st+φ2nd),η的取值范围为(0,1)。
脉冲序列对K9待测样品16的损伤特性调控结果如下：
1)在0.2<η<0.5时，当调节脉冲序列包络为子脉冲能量比随时间递增的形状如图2(a)所示时，起到激光调节的作用，样品损伤点密度会逐渐减小，深度会逐渐减小，调制结果如图3(a)(b)所示；
2)在0.5<η<0.8时，当调节脉冲序列包络为子脉冲能量比随时间递减的形状如图2(b)所示时，样品损伤点密度会逐渐增大，深度会逐渐增大，调制结果如图3(b)(c)所示。
实施例2
基于脉冲序列的损伤测试系统如图1所示，包括：Nd:YLF皮秒激光器1输出重复频率1Hz，峰值能量80mJ、脉冲宽度τp8.9 ps，波长1053nm的高能量脉冲光，经第一半波片2和格兰棱镜3调节脉冲能量后，射入脉冲序列产生模块19，所述的脉冲序列产生模块19由n(n＝2，3…)个脉冲序列产生单元串联构成，通过对脉冲序列产生单元进行复制，重复脉冲分束、延迟、合束功能，产生多参量调谐的脉冲序列，脉冲序列数目2n内可调节；所述的脉冲序列经第四半波片10、第三偏振分光棱镜11进行脉冲序列偏振选择后，依次通过300mm聚焦透镜12和取样镜13，聚焦在待测样品16的表面；经所述的取样镜13前表面反射的前反射光通过光束质量分析仪14进行光斑尺寸监测，经所述的取样镜13后表面反射的后反射光通过能量计15进行能量记录；待测样品16烧蚀损伤通过放大成像系统17放大后，由CCD相机18接收。
所述的脉冲序列产生单元：入射单脉冲经过第二半波片4实现该脉冲序列产生单元能量比控制后，经所述的第一偏振分光棱镜5分为S偏振光和P偏振光，所述的S偏振光依次经第一四分之一波片6和第一0°全反镜7后，沿原来返回至第一偏振分光棱镜5，所述的P偏振光经第二四分之一波片8、第二0°全反镜9，沿原来返回至第一偏振分光棱镜5，通过移动第一0°全反镜7或第二0°全反镜9，调节这两个光路臂的光程差，实现子脉冲时间延迟Δτ在10ps-20ns连续可调节；所述的S偏振光和P偏振光在第一偏振分光棱镜5合束后出射。
待测样品16激光损伤阈值测试与分析过程和步骤如下：
1)通过调节脉冲产生模块19调控子脉冲能量比、间隔、数目、偏振，设计用于待测样品16损伤测试的脉冲序列，举例如图2所示；
2)通过置于脉冲产生模块19前的第一半波片2和格兰棱镜3调节脉冲序列总能量，对待测样品16进行损伤测试；
3)光束质量分析仪14，能量计15同时记录光斑大小和激光能量大小，得到激光能量密度；CCD相机18记录损伤情况，得到损伤概率数据。经过数据处理获得能量密度与损伤概率曲线图，拟合曲线得到待测样品16的零概率损伤阈值大小。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于脉冲序列的元件损伤特性调控的系统，其特征在于，包括：超短脉冲激光器（1）、第一半波片（2）、格兰棱镜（3）、脉冲序列产生模块（19）、第三半波片（10）、第二偏振分光棱镜（11）、聚焦透镜（12）、取样镜（13）、光束质量分析仪（14）、能量计（15）、待测样品（16）、放大成像系统（17）、CCD相机（18）；
所述的超短脉冲激光器（1）输出高能量脉冲光经第一半波片（2）和格兰棱镜（3）调节脉冲能量后，射入脉冲序列产生模块（19），所述的脉冲序列产生模块（19）由n，n=1，2，…个脉冲序列产生单元串联构成，通过对脉冲序列产生单元进行复制，重复脉冲分束、延迟、合束功能，产生多参量调谐的脉冲序列，脉冲序列数目2n内可调节；
所述的脉冲序列经第三半波片（10）、第二偏振分光棱镜（11）进行脉冲序列偏振选择后，依次通过聚焦透镜（12）和取样镜（13），聚焦在待测样品（16）的表面；经所述的取样镜（13）前表面反射的前反射光通过光束质量分析仪（14）进行光斑尺寸监测，经所述的取样镜（13）后表面反射的后反射光通过能量计（15）进行能量记录；待测样品（16）烧蚀损伤通过放大成像系统（17）放大后，由 CCD相机（18）接收；
所述的脉冲序列产生单元包括：第二半波片（4）、第一偏振分光棱镜（5）、第一四分之一波片（6）、第一0°全反镜（7）、第二四分之一波片（8）、第二0°全反镜（9）；
入射单脉冲经过第二半波片（4）实现该脉冲序列产生单元能量比控制后，经所述的第一偏振分光棱镜（5）分为S偏振光和P偏振光，所述的S偏振光依次经第一四分之一波片（6）和第一0°全反镜（7）后，沿原来返回至第一偏振分光棱镜（5），所述的P偏振光经第二四分之一波片（8）、第二0°全反镜（9），沿原来返回至第一偏振分光棱镜（5），通过移动第一0°全反镜（7）或第二0°全反镜（9），调节这两个光路臂的光程差，实现子脉冲时间延迟Δτ连续可调节；所述的S偏振光和P偏振光在第一偏振分光棱镜（5）合束后出射。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控系统，其特征在于：可选择不同波长的脉冲序列进行元件损伤特性调控，可选择飞秒、皮秒不同脉宽的激光器；通过倍频晶体谐波转换，采用激光脉冲相应波长的反射镜和晶体，满足不同波长的元件损伤特性调控及测试要求。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控系统，其特征在于：所述系统可作为基于脉冲序列的元件损伤测试系统，子脉冲数目>2个，满足不同种类脉冲序列的激光损伤测试条件。
4.利用权利要求1-3任一所述的基于脉冲序列的元件损伤特性调控系统实现元件损伤特性调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，对脉冲序列进行时域整形，移动所述第一0°全反镜（7）固定脉冲延迟，通过旋转第二半波片（4）角度，改变子脉冲的能量比，控制脉冲序列的包络形状；
然后，将时域整形后的脉冲序列通过聚焦透镜（12）聚焦到待测样品表面；
最后，通过第一半波片（2）调节脉冲序列总能量，对待测样品进行辐照，得到对应的损伤特性。
5.根据权利要求4所述的元件损伤特性调控方法，其特征在于，所述的控制脉冲序列的包络形状，具体方法如下：
1）当调节脉冲序列包络为子脉冲能量比随时间递增的形状时，起到激光调节的作用，样品损伤点密度会逐渐减小，深度会逐渐减小；
2）当调节脉冲序列包络为子脉冲能量比随时间递减的形状时，样品损伤点密度会逐渐增大，深度会逐渐增大。
6.根据权利要求4所述的元件损伤特性调控方法，子脉冲数目不做限定，子脉冲数目越多，序列脉冲越接近于其包络脉冲。
7.根据权利要求4所述的元件损伤特性调控方法，其特征在于：子脉冲宽度τp为10fs-10ns量级。
8.根据权利要求4所述的元件损伤特性调控方法，其特征在于：脉冲时间间隔Δτ为ps-ns量级。
9.根据权利要求4所述的元件损伤特性调控方法，其特征在于：样品为硼硅酸盐玻璃、熔石英类元件、晶体类元件、介质膜元件。
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2021
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