CN114486190A - 一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置及测试方法，本发明通过多次测量背向受激布里渊散射和自聚焦效应的增益情况，将传统测试方法中忽略的两种非线性效应考虑进来，得到了激光诱导光学元件后表面损伤时真实的激光能量与激光光斑大小，从而规避了不同形状的光学元件引入不同的非线性效应所带来的损伤阈值测试结果误差，本发明的测试装置和方法不仅提高了测试精度，也为开展激光诱导光学元件后表面损伤机理以及相应的提高损伤阈值工艺提供了更多的帮助。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置及测试方法。
背景技术
在激光惯性约束聚变系统以及传统的实验平台装置中，均存在大量透明介质的使用，例如激光增益介质钕玻璃、倍频晶体KDP还有应用最为广泛的熔石英。由于激光辐照透明介质后表面的过程中，存在着后表面反射激光与入射激光相干涉的情况，使得大多数透明介质的后表面激光损伤阈值远小于体内损伤和前表面损伤对应的激光损伤阈值，因此得到一个准确的光学元件后表面激光损伤阈值不仅可以得到清楚的激光与物质相互作用的机理，同时也为探明光学元件的安全使用边界以及提高光学元件抗激光损伤能力提供了可靠的参考依据。
现有的光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法主要分为两类，第一类测试方法是使用长焦透镜，确保瑞利长度大于样品厚度，使得样品前、后表面的光斑大小保持一致，从而忽略自聚焦效应的影响。但是此方法由于使用长焦透镜聚焦成较大的焦点光斑，因此需要较高的入射能量引起材料损伤，必然会引入背向受激布里渊散射，而受激布里渊散射散射又与样品厚度相关，因此样品后表面激光损伤阈值测试存在变量影响精度。第二类测试方法是通过短焦透镜聚焦辐照样品后表面，但是此方法忽略了测试过程中，随着强度的提升，自聚焦效应将会放大，聚焦光斑变小，因此会影响测试结果精度。
由于现有的光学元件后表面激光损伤阈值测试方法很难保证测试的精度，因此需要发明一种光学元件后表面激光损伤阈值测试装置及测试方法。这对开展光学元件的材料特性以及损伤机理方面的研究具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置及测试方法，用以解决传统光学元件后表面激光损伤阈值测试方法中，存在着背向受激布里渊散射和自聚焦效应影响测试精度的问题。本发明的装置及测试方法通过对比实验评估测试过程中的背向受激布里渊散射以及自聚焦效应的增益情况，排除其非线性效应对测试结果的影响，从而得到精准的光学元件后表面激光损伤阈值。
为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：
一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置，包括：用于产生射向待测光学元件的入射激光的激光器，所述入射激光的主光路上沿着其出射方向依次设有半波片、偏振片、分光片、透镜、第一电动位移平台和第二电动位移平台，
用于测量入射激光在分光片上产生的分光路光束的激光能量的第一能量计，
以及计算机，所述计算机分别通过数据线与激光器、半波片、第一能量计、第二能量计、第一电动位移平台和第二电动位移平台；
其中，所述第一电动位移平台上安装有待测光学元件、设置于待测光学元件一侧并与待测光学元件的后表面相齐平的分划板，透镜的焦点位于待测光学元件的后方；
所述第二电动位移平台上安装有测试光斑系统和用于测量主光路上的激光能量的第二能量计。
具体地，所述第一电动位移平台的一侧还设置有用于通过光照判断分划板与待测光学元件的后表面是否齐平以对分划板的位置进行校准的平行光管。
具体地，所述测试光斑系统包括显微物镜和CCD相机。
具体地，所述第一电动位移平台和第二电动位移平台的移动误差均小于10μm。
一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，具体包括以下步骤：
S1，调整第一电动位移平台将待测光学元件移动至主光路并使透镜的焦点位于待测光学元件的后方；
S2，获取分光路光束激光能量Qm与待测光学元件后表面上的激光光斑直径ln之间的线性拟合直线K1，根据线性拟合直线K1推导出自聚焦效应条件下待测光学元件后表面发生损伤时的后表面光斑有效面积S′n；
S3，获取分光路光束激光能量Qm与后表面激光能量Qn之间的绘制曲线K2，根据绘制曲线K2推导出受激布里渊散射条件下待测光学元件后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n，根据待测光学元件后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n与后表面光斑有效面积S′n求得后表面发生损坏时的激光能量密度F′n；
S4，在待测光学元件的后表面选取x个测量位置，按照步骤S1-S3分别求得各测量位置发生损伤时的激光能量密度F′xn，分别得到各激光能量密度F′xn下其各自对应的测量位置经多次激光辐照后发生损伤的损伤概率Px，从而绘制出激光能量密度F′n与其对应的损伤概率P之间的线性拟合直线K3，根据线性拟合直线K3推导出零损伤概率所对应的激光能量密度并将该激光能量密度作为待测光学元件后表面的损伤阈值。
具体地，步骤S2的具体步骤为：
S21，调整第一电动位移平台将分划板移动至主光路；
S22，以不诱导待测光学元件后表面损伤的激光能量辐照分划板以获得第二电动位移平台上测试光斑系统的放大倍率β；
S23，再次调整第一电动位移平台将待测光学元件重新移动至主光路，
S24，逐步旋转半波片，以从低到高的激光能量依次辐照待测光学元件，每次辐照待测光学元件时，分别利用第一能量计测得分光路光束激光能量Qm、利用测试光斑系统观测得到成像光斑直径Ln，根据成像光斑直径Ln和放大倍率β计算每次辐照时待测光学元件后表面上的激光光斑直径ln；
S25，根据所有测量得到的分光路光束激光能量Qm及其对应的待测光学元件后表面上的激光光斑直径ln绘制出一条线性拟合直线K1，根据线性拟合直线K1推导出自聚焦效应条件下诱导待测光学元件后表面发生损伤的分光路光束激光能量Q′m所对应的待测光学元件后表面上的激光光斑直径l′n；
S26，根据待测光学元件后表面发生损伤时的激光光斑直径l′n计算出其后表面光斑有效面积S′n。
具体地，每次辐照时待测光学元件后表面上的激光光斑直径ln＝Ln/β；
待测光学元件后表面发生损伤时的后表面光斑有效面积S′n＝π-(0.5-l′n)2/2。
具体地，步骤S21中调整第一电动位移平台将分划板移动至主光路时，
首先，移动分划板的位置使其与待测光学元件的后表面相齐平；
然后，使平行光管发出平行光束以复测分划板与待测光学元件的后表面是否共线，若是，则整体移动第一电动位移平台将分划板平移至主光路中。
具体地，步骤S22中获得第二电动位移平台上测试光斑系统的放大倍率β的具体步骤为：
先移动第二电动位移平台将测试光斑系统移动到主光路上；
再旋转半波片，将入射激光调低至不诱导待测光学元件后表面损伤的激光能量，并进行激光辐照；
然后，移动第二电动位移平台使测试光斑系统观测到分划板上的清晰的像，根据测试光斑系统观测到成像中的分划板线宽Ln与实际分划板上的对应线宽L0计算出测试光斑系统的放大倍率β，β＝Ln/L0。
具体地，步骤S3的具体步骤为：
S31，调整第二电动位移平台将第二能量计移动至主光路；
S32，逐步旋转半波片，以从低到高的激光能量依次辐照待测光学元件，每次辐照待测光学元件时，分别利用第一能量计测得分光路光束激光能量Qm、利用第二能量计测得后表面激光能量Qn；
S33，根据所有测量得到的分光路光束激光能量Qm与后表面激光能量Qn绘制出一条绘制曲线K2，根据绘制曲线K2推导出受激布里渊散射条件下诱导待测光学元件后表面发生损伤的分光路光束激光能量Q′m所对应的的后表面激光能量Q′n，
S34，根据待测光学元件后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n与后表面光斑有效面积S′n求得后表面发生损坏时的激光能量密度F′n，F′n＝Q′n/S′n。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过多次测量背向受激布里渊散射和自聚焦效应的增益情况，将传统测试方法中忽略的两种非线性效应考虑进来，得到了激光诱导光学元件后表面损伤时真实的激光能量与激光光斑大小，从而规避了不同形状的光学元件引入不同的非线性效应所带来的损伤阈值测试结果误差，本发明的测试装置和方法不仅提高了测试精度，也为开展激光诱导光学元件后表面损伤机理以及相应的提高损伤阈值工艺提供了更多的帮助。
2、本发明装置和方法可以针对不同材料、不同尺寸、不同功能等任一种透明光学元件后表面进行激光损伤阈值测试，具有很高的适用性。
3、本发明的装置和方法引入了多个标定设备和对应的标定过程，使得光学元件后表面激光损伤阈值的测试更加精密，测试流程更加规范，得到的光学元件后表面损伤信息更加可靠。
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，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它的附图。
图1是本发明光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法流程示意图。
图2是本发明光学元件后表面激光损伤阈值测试装置的结构示意图。
图3是本发明光学元件后表面激光损伤阈值测试装置的电路连接原理框图。
图4是分光路光束激光能量Qm与待测光学元件后表面上的激光光斑直径ln之间的线性拟合直线K1的测试结果图，由此图可推导出不同入射激光分光路能量对应的自聚焦效应影响下的光斑大小。
图5是分光路光束激光能量Qm与后表面激光能量Qn之间的绘制曲线K2的测试结果图，由此图可推导出不同入射激光分光路能量对应的背向受激布里渊散射能量，与入射激光能量相减为此时诱导光学元件后表面损伤的真实能量。
图6是激光能量密度F′n与其对应的损伤概率P之间的线性拟合直线K3，此图中横坐标的激光能量密度为规避背向受激布里渊散射的入射激光能量和带有自聚焦效应的光斑面积相除的结果，纵坐标为不同入射激光能量在测试样品后表面不同位置进行单脉冲激光测试得到的损伤概率，拟合得到零损伤概率所对应的激光能量密度为该光学元件后表面的激光损伤阈值。
图中标号的含义为：
1－激光器，2－半波片，3－偏振片，4－分光片，5－第一能量计，6－光束质量分析仪，7－聚焦透镜，8－测试光学元件，9－分划板，10－第一电动位移平台，11－平行光管，12－显微物镜，13－CCD相机，14－第二能量计，15－第二电动位移平台，16－计算机。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明给出一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置及测试方法。
光学元件后表面在激光辐照过程中，由于存在电场增益效应，使得大多数光学元件后表面的激光损伤阈值低于其前表面及其体内的损伤阈值，因此一个精准的光学元件后表面激光损伤阈值是其材料安全使用的重要边界条件，同时也是研究激光诱导后表面损伤机理的重要参数之一。
本发明的测试装置和方法通过测试不同入射能量下的背向受激布里渊散射能量和自聚焦光斑变化情况，推导出光学元件后表面发生损伤时对应的背向受激布里渊散射能量损失情况以及自聚焦条件下光斑大小的变化，规避了光学元件后表面激光损伤阈值测试过程中的背向受激布里渊散射和自聚焦效应对测试结果的影响。本发明不仅提高了光学元件后表面激光损伤阈值的测试精度，同时也为提高光学元件后表面激光损伤阈值的研究提供可靠的帮助。
为了得到精准的光学元件后表面激光损伤阈值，本发明专门设计了一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置，如图2所示，图2为本测试装置的结构示意图。
本发明的光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置包括激光器1、半波片2、偏振片3、分光片4、第一能量计5、透镜7、分划板9、第一电动位移平台10、第二能量计14、第二电动位移平台15、测试光斑系统和计算机16。
激光器1用于产生射向待测光学元件8的入射激光。本实施例中，激光器1发出的激光为平行光束或高斯光束，激光波长为1064mm或532mm或355mm，激光的脉冲宽度的调整范围为10fs～20ms，激光器1发出激光的激光能量调整范围为0.1J～100J。
半波片2、偏振片3、分光片4、透镜7、第一电动位移平台10和第二电动位移平台15均设置在入射激光的主光路上，并沿着入射激光的出射方向依次设置。
入射激光照射到分光片4上时，会在分光片4的入射面上形成发射光束，第一能量计5设置在该反射光束所在的分光路上，用于测量分光路光束的激光能量。
优选地，分光路上还设置有光束质量分析仪6。
第一电动位移平台10上安装有待测光学元件8、设置于待测光学元件8一侧并与待测光学元件8的后表面相齐平的分划板9。透镜7的焦点位于待测光学元件8的后方，透镜7的焦点到待测光学元件8后表面的距离大小根据实际测量过程中选用的透镜类型和光学元件类型来定。
优选地，第一电动位移平台10的一侧还设置有用于通过光照判断分划板9与待测光学元件8的后表面是否齐平以对分划板9的位置进行校准的平行光管11。
第二电动位移平台15上安装有测试光斑系统和用于测量主光路激光能量的第二能量计14，主光路激光能量即为待测元件8后表面的激光能量。
测试光斑系统包括显微物镜12和CCD相机13，显微物镜12和CCD相机13同轴设置且CCD相机13设置于显微物镜12的后方，显微物镜12和CCD相机13组合使用以测量得到激光入射至待测光学元件8后表面的光斑大小。第二能量计14设置于显微物镜12的一侧，用于测量经过待测光学元件8后表面的激光能量。
所述计算机分别通过数据线与激光器1、半波片2、第一能量计5、光束质量分析仪6、CCD相机13、第二能量计14、第一电动位移平台10和第二电动位移平台15。光束质量分析仪6和CCD相机13采集的光斑大小数据信息输入至计算机16中，第一能量计5和第二能量计14采集的能量信息输入至计算机16中。
本实施例中，待测光学元件8为透明体材料光学元件，例如熔石英、钕玻璃、KDP晶体等。第一电动位移平台10和第二电动位移平台15的移动误差均小于10μm。显微物镜12的放大倍率为5倍～50倍，显微物镜12的成像镜头的放大倍率是在测量焦点附近光斑大小时，对焦点进行放大的作用，放大倍率越大，测试越准确。
如图1所示，图1为本发明光学元件后表面激光损伤阈值的测试流程图，基于上述测试装置，本发明的光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，具体包括以下步骤：
S1，调整第一电动位移平台10将待测光学元件8移动至主光路并使透镜7的焦点位于待测光学元件8的后方。
将透镜7的焦点移动至待测光学元件8的后方，可以确保测试待测光学元件8后表面损伤阈值的过程中不会由于自聚焦效应引起透镜7的焦点前移，从而引入体内损伤，影响测试精度。
S2，获取分光路光束激光能量Qm与待测光学元件后表面上的激光光斑直径ln之间的线性拟合直线K1，根据线性拟合直线K1推导出自聚焦效应条件下待测光学元件后表面发生损伤时的后表面光斑有效面积S′n。
具体地，包括以下步骤：
S21，调整第一电动位移平台10将分划板9移动至主光路：
首先，移动分划板9的位置使其与待测光学元件8的后表面相齐平，此时，应保证分划板9、待测光学元件8的后表面以及平行光管11位于同一直线上；
然后，使平行光管11发出平行光束以复测分划板9与待测光学元件8的后表面是否共线，若是，则整体移动第一电动位移平台10将分划板9平移至主光路中。
S22，以不诱导待测光学元件8后表面损伤的激光能量辐照分划板9以获得第二电动位移平台15上测试光斑系统的放大倍率β：
首先，先移动第二电动位移平台15将显微透镜12和CCD相机13组成的测试光斑系统移动到主光路上；
然后，再旋转半波片2，将入射激光调低至不诱导待测光学元件8后表面损伤的激光能量，并进行激光辐照；
然后，移动第二电动位移平台15使显微透镜12和CCD相机13观测到分划板9上成清晰的像，根据CCD相机13观测到成像中的分划板线宽Ln与实际分划板9上的对应线宽L0计算出显微透镜12的放大倍率β，β＝Ln/L0。
S23，再次调整第一电动位移平台10将待测光学元件8重新移动至主光路。
S24，逐步旋转半波片2，以从低到高的激光能量依次辐照待测光学元件8，每次辐照待测光学元件时，分别利用第一能量计5测得分光路光束激光能量Qm、利用显微透镜12和CCD相机13观测得到成像光斑直径Ln，根据成像光斑直径Ln和放大倍率β计算每次辐照时待测光学元件8后表面上的激光光斑直径ln，ln＝Ln/β。
S25，根据每次辐照测量得到的分光路光束激光能量Qm及其对应的待测光学元件8后表面上的激光光斑直径ln绘制出一条线性拟合直线K1，如图4所示，根据线性拟合直线K1推导出自聚焦效应条件下诱导待测光学元件8后表面发生损伤的分光路光束激光能量Q′m所对应的待测光学元件8后表面上的激光光斑直径l′n，即根据图4中画出的线性拟合直线K1找出横坐标Q′m所对应的纵坐标值l′n。
S26，根据待测光学元件8后表面发生损伤时的激光光斑直径l′n计算出其后表面光斑有效面积S′n，S′n＝π*(0.5*l′n)2/2。
S3，获取分光路光束激光能量Qm与后表面激光能量Qn之间的绘制曲线K2，根据绘制曲线K2推导出受激布里渊散射条件下待测光学元件8后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n，根据待测光学元件8后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n与后表面光斑有效面积S′n求得后表面发生损坏时的激光能量密度F′n。
具体地，包括以下步骤：
S31，调整第二电动位移平台15将第二能量计14移动至主光路；
S32，逐步旋转半波片2，以从低到高的激光能量依次辐照待测光学元件8，每次辐照待测光学元件8时，分别利用第一能量计5测得分光路光束激光能量Qm、利用第二能量计14测得待测光学元件8后表面激光能量Qn；
S33，根据每次辐照测量得到的分光路光束激光能量Qm与后表面激光能量Qn绘制出一条绘制曲线K2，如图5所示，根据绘制曲线K2推导出受激布里渊散射条件下诱导待测光学元件后表面发生损伤的分光路光束激光能量Q′m所对应的的后表面激光能量Q′n，即根据图5中画出的绘制曲线K2找出横坐标Q′m所对应的纵坐标值Q′n；
S34，根据待测光学元件8后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n与后表面光斑有效面积S′n求得待测光学元件8后表面发生损坏时的激光能量密度F′n，F′n＝Q′n/S′n。
S4，在待测光学元件的后表面选取x个测量位置，按照步骤S1-S3分别求得各测量位置发生损伤时的激光能量密度F′xn，分别得到各激光能量密度F′xn下其各自对应的测量位置经多次激光辐照后发生损伤的损伤概率Px，从而绘制出激光能量密度F′n与其对应的损伤概率P之间的线性拟合直线K3，如图5所示，根据线性拟合直线K3推导出零损伤概率所对应的激光能量密度并将该激光能量密度作为待测光学元件后表面的损伤阈值。
下面通过举例具体说明本发明测试方法的具体实施方式。
本实施例中选用的待测光学元件8的尺寸为10mm*40mm*70mm，聚焦透镜7的焦距为250mm，激光器1发出的是直径为6mm、脉宽为3ns的激光束，待测光学元件8为熔石英，其折射率为1.45。
如图2所示，上述激光器1发出的直径为6mm、脉宽为3ns的高斯激光，依次经过半波片2、偏振片3、分光片4和聚焦透镜7到达待测光学元件8，移动第一电动位移平台10，将待测元件8移动至待测光路，调整待测光学元件8的位置，使得聚焦透镜7的焦点位于待测光学元件8后表面以外的位置。
调整分划板9和所述的平行光管11，使得待测元件8后表面和分划板9以及平行光管11在一条直线上，并移动第一电动位移平台10，将分划板9平移至原来待测光学元件8后表面光斑所在的位置处，即将分划板9平移至主光路中。
移动第二电动位移平台15，将显微透镜12和CCD相机13组成的测试光斑系统对准待测元件8后表面的光斑位置，并通过旋转所述的半波片2，将入射激光分光路能量调低至0.04mJ，并进行激光辐照，移动第二电动位移平台15，调至显微物镜12和CCD相机13对分划板9成清晰的像，并根据成像中的分划板9线宽475μm与实际分划板9中的对应线宽1.5mm，得到所述显微物镜12的放大倍率β为3.16倍。
移动第一电动位移平台10，将待测元件8重新移回主光路中，通过调节半波片2，将入射激光分光路能量Qm由0.04mJ调节至0.1mJ，利用CCD相机对其观测到的成像光斑直径Ln进行记录，根据成像光斑直径Ln可计算得到测光学元件8后表面上的激光光斑直径ln，从而得到入射激光分光路能量Qm与测光学元件8后表面上的激光光斑直径ln的关系。如图4所示，图4中通过半波片2将入射激光分光路能量由0.04mJ-0.1mJ划分为七档，根据测量得到的七组入射激光分光路能量Qm和ln数据，可以绘制出一条线性拟合直线K1；
根据线性拟合直线K1可以推导出在产生自聚焦效应的条件下，诱导待测元件后表面损伤时的分光路能量Q′m所对应的待测光学元件8后表面上的激光光斑直径l′n，例如诱导待测元件后表面损伤时的分光路能量Q′m为0.09mJ，则可由图4中的线性拟合直线K1推导出待测光学元件8后表面上的激光光斑直径l′n为0.04095cm，根据激光光斑直径l′n可计算出待测光学元件8后表面发生损伤时的光斑有效面积S′n为0.000643cm2。
然后，移动第二电动位移平台15，将第二能量计14移动至入射激光主光路中，通过调节半波片2将入射激光能量由低到高调节，利用第一能量计5和第二能量计14分别记录入射激光分光路能量Qm和主光路Qn。如图5所示，图5中通过半波片2将入射激光分光路能量由0mJ-0.45mJ划分为四档，根据测量得到的四组入射激光分光路能量Qm和Qn数据，可以绘制出一条绘制曲线K2；
根据绘制曲线K2可以推导出在受激布里渊散射条件下诱导待测元件后表面损伤时的分光路激光能量Q′m所对应的主光路能量Q′n，例如诱导待测元件后表面损伤时的分光路激光能量Q′m为0.09mJ，则可由图5中的绘制曲线K2推导出主光路能量Q′n为8.6mJ，此时后表面光斑有效面积为0.000628cm2，由此根据公式F′n＝Q′n/S′n可以计算得到待测光学元件8后表面发生损伤时激光能量密度F′n为13.69J/cm2。
在待测光学元件8的后表面选取10个测量位置，按照上述步骤分别求得这10个测量位置发生损伤时的激光能量密度。例如第1个测量位置处发生损伤时的激光能量密度为F′1n，则用激光能量密度为F′1n的入射激光对光学元件后表面的第1个测量位置进行10次辐照，每次辐照完，无论是否发生损伤，都继续进行下一次辐照，辐照完成后，观测发生损伤的个数M，则该能量密度下的损伤概率P＝M/N，如能量密度为13.69J/cm2辐照10次后出现1次损伤，则13.69J/cm2对应的损伤概率为10％。按照该方法依次选取10个能量密度测试得到其各自的损伤概率。根据得到的10组激光能量密度(F′1n…F′10n)和损伤概率(P1…P10)可以绘制出一条线性拟合直线K3，如图5所示。
根据线性拟合直线K3可以推导出零损伤概率所对应的激光能量密度(10.1J/cm2)，将该激光能量密度作为待测样品后表面的损伤阈值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置，其特征在于，包括：用于产生射向待测光学元件的入射激光的激光器(1)，所述入射激光的主光路上沿着其出射方向依次设有半波片(2)、偏振片(3)、分光片(4)、透镜(7)、第一电动位移平台(10)和第二电动位移平台(15)，
用于测量入射激光在分光片(4)上产生的分光路光束的激光能量的第一能量计(5)，
以及计算机(16)，所述计算机(16)分别通过数据线与激光器(1)、半波片(2)、第一能量计(5)、第二能量计(14)、第一电动位移平台(10)和第二电动位移平台(15)；
其中，所述第一电动位移平台(10)上安装有待测光学元件(8)、设置于待测光学元件一侧并与待测光学元件的后表面相齐平的分划板(9)，透镜(7)的焦点位于待测光学元件(8)的后方；
所述第二电动位移平台(15)上安装有测试光斑系统和用于测量主光路上的激光能量的第二能量计(14)。
2.根据权利要求1所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置，其特征在于，所述第一电动位移平台的一侧还设置有用于通过光照判断分划板(9)与待测光学元件(8)的后表面是否齐平以对分划板(9)的位置进行校准的平行光管(11)。
3.根据权利要求1所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置，其特征在于，所述测试光斑系统包括显微物镜(12)和CCD相机(13)。
4.根据权利要求1所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试装置，其特征在于，所述第一电动位移平台(10)和第二电动位移平台(15)的移动误差均小于10μm。
5.一种光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，调整第一电动位移平台(10)将待测光学元件(8)移动至主光路并使透镜(7)的焦点位于待测光学元件(8)的后方；
S2，获取分光路光束激光能量Qm与待测光学元件(8)后表面上的激光光斑直径ln之间的线性拟合直线K1，根据线性拟合直线K1推导出自聚焦效应条件下待测光学元件(8)后表面发生损伤时的后表面光斑有效面积S′n；
S3，获取分光路光束激光能量Qm与后表面激光能量Qn之间的绘制曲线K2，根据绘制曲线K2推导出受激布里渊散射条件下待测光学元件(8)后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n，根据待测光学元件(8)后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n与后表面光斑有效面积S′n求得后表面发生损坏时的激光能量密度F′n；
S4，在待测光学元件(8)的后表面选取x个测量位置，按照步骤S1-S3分别求得各测量位置发生损伤时的激光能量密度F′xn，分别得到各激光能量密度F′xn下其各自对应的测量位置经多次激光辐照后发生损伤的损伤概率Px，从而绘制出激光能量密度F′n与其对应的损伤概率P之间的线性拟合直线K3，根据线性拟合直线K3推导出零损伤概率所对应的激光能量密度并将该激光能量密度作为待测光学元件(8)后表面的损伤阈值。
6.根据权利要求5所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：
S21，调整第一电动位移平台(10)将分划板(9)移动至主光路；
S22，以不诱导待测光学元件(8)后表面损伤的激光能量辐照分划板(9)以获得第二电动位移平台(15)上测试光斑系统的放大倍率β；
S23，再次调整第一电动位移平台(10)将待测光学元件(8)重新移动至主光路，
S24，逐步旋转半波片，以从低到高的激光能量依次辐照待测光学元件(8)，每次辐照待测光学元件(8)时，分别利用第一能量计(5)测得分光路光束激光能量Qm、利用测试光斑系统观测得到成像光斑直径Ln，根据成像光斑直径Ln和放大倍率β计算每次辐照时待测光学元件(8)后表面上的激光光斑直径ln；
S25，根据所有测量得到的分光路光束激光能量Qm及其对应的待测光学元件(8)后表面上的激光光斑直径ln线性拟合出直线K1，根据线性拟合直线K1推导出自聚焦效应条件下诱导待测光学元件(8)后表面发生损伤的分光路光束激光能量Q′m所对应的待测光学元件(8)后表面上的激光光斑直径l′n；
S26，根据待测光学元件(8)后表面发生损伤时的激光光斑直径l′n计算出其后表面光斑有效面积S′n。
7.根据权利要求6所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，其特征在于，每次辐照时待测光学元件(8)后表面上的激光光斑直径ln＝Ln/β；
待测光学元件(8)后表面发生损伤时的后表面光斑有效面积S′n＝π*(0.5*l′n)2/2。
8.根据权利要求6所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，其特征在于，步骤S21中调整第一电动位移平台(10)将分划板(9)移动至主光路时，
首先，移动分划板(9)的位置使其与待测光学元件(8)的后表面相齐平；
然后，使平行光管(11)发出平行光束以复测分划板(9)与待测光学元件(8)的后表面是否共线，若是，则整体移动第一电动位移平台(10)将分划板(9)平移至主光路中。
9.根据权利要求6所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，其特征在于，步骤S22中获得第二电动位移平台(15)上测试光斑系统的放大倍率β的具体步骤为：
先移动第二电动位移平台(15)将测试光斑系统移动到主光路上；
再旋转半波片，将入射激光调低至不诱导待测光学元件(8)后表面损伤的激光能量，并进行激光辐照；
然后，移动第二电动位移平台(15)使测试光斑系统观测到分划板(9)上的清晰的像，根据测试光斑系统观测到成像中的分划板(9)线宽Ln与实际分划板(9)上的对应线宽L0计算出测试光斑系统的放大倍率β，β＝Ln/L0。
10.根据权利要求5所述的光学元件后表面激光损伤阈值的测试方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤为：
S31，调整第二电动位移平台(15)将第二能量计(14)移动至主光路；
S32，逐步旋转半波片，以从低到高的激光能量依次辐照待测光学元件(8)，每次辐照待测光学元件(8)时，分别利用第一能量计(5)测得分光路光束激光能量Qm、利用第二能量计(14)测得后表面激光能量Qn；
S33，根据所有测量得到的分光路光束激光能量Qm与后表面激光能量Qn绘制出一条曲线K2，根据绘制曲线K2推导出受激布里渊散射条件下诱导待测光学元件(8)后表面发生损伤的分光路光束激光能量Q′m所对应的的后表面激光能量Q′n，
S34，根据待测光学元件(8)后表面发生损伤时的后表面激光能量Q′n与后表面光斑有效面积S′n求得后表面发生损坏时的激光能量密度F′n，F′n＝Q′n/S′n。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115326804A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-11-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置与方法 |
| CN117607068A (zh) * | 2023-11-03 | 2024-02-27 | 宁波大学 | 一种光学材料激光损伤阈值准确测试方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005114720A (ja) * | 2003-09-19 | 2005-04-28 | Japan Science & Technology Agency | 光学材料のレーザー損傷閾値評価方法 |
| CN101165474A (zh) * | 2006-10-16 | 2008-04-23 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 一种非线性晶体激光损伤阈值的测量方法 |
| US20100118295A1 (en) * | 2008-11-10 | 2010-05-13 | Efimov Oleg M | System and Method for Measuring a Laser-Induced Damage Threshold in an Optical Fiber |
| CN102109731A (zh) * | 2011-02-23 | 2011-06-29 | 武汉邮电科学研究院 | 抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置 |
| CN102841097A (zh) * | 2012-09-05 | 2012-12-26 | 同济大学 | 基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法及测量装置 |
| CN105842248A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-08-10 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法 |
| CN108982072A (zh) * | 2018-09-07 | 2018-12-11 | 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 | 一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统及测试方法 |
| CN111579221A (zh) * | 2020-06-19 | 2020-08-25 | 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 | 一种光学元件非线性效应i*l值的测试方法及装置 |
| CN112033644A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-12-04 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种高反射样品激光损伤阈值测试装置 |
| CN112414677A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-02-26 | 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 | 一种高精度测量光学元件体内光斑大小的测试装置及方法 |
-
2022
- 2022-01-12 CN CN202210031568.4A patent/CN114486190B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005114720A (ja) * | 2003-09-19 | 2005-04-28 | Japan Science & Technology Agency | 光学材料のレーザー損傷閾値評価方法 |
| CN101165474A (zh) * | 2006-10-16 | 2008-04-23 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 一种非线性晶体激光损伤阈值的测量方法 |
| US20100118295A1 (en) * | 2008-11-10 | 2010-05-13 | Efimov Oleg M | System and Method for Measuring a Laser-Induced Damage Threshold in an Optical Fiber |
| CN102109731A (zh) * | 2011-02-23 | 2011-06-29 | 武汉邮电科学研究院 | 抑制光纤参量放大器泵浦源受激布里渊散射的方法及装置 |
| CN102841097A (zh) * | 2012-09-05 | 2012-12-26 | 同济大学 | 基于高精度复位技术的损伤阈值测量方法及测量装置 |
| CN105842248A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-08-10 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种光学元件表面损伤阈值测试系统及其测试方法 |
| CN108982072A (zh) * | 2018-09-07 | 2018-12-11 | 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 | 一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统及测试方法 |
| CN111579221A (zh) * | 2020-06-19 | 2020-08-25 | 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 | 一种光学元件非线性效应i*l值的测试方法及装置 |
| CN112033644A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-12-04 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种高反射样品激光损伤阈值测试装置 |
| CN112414677A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-02-26 | 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 | 一种高精度测量光学元件体内光斑大小的测试装置及方法 |
Non-Patent Citations (11)
| Title |
|---|
| LIU, XIAOFENG 等: "Automated damage diagnostic system for laser damage threshold tests", CHINESE OPTICS LETTERS, 10 April 2010 (2010-04-10) * |
| 单翀;赵元安;张喜和;胡国行;王岳亮;彭小聪;李成;: "基于高斯脉冲激光空间分辨测量光学元件表面激光损伤阈值研究", 中国激光, no. 01, 30 September 2017 (2017-09-30) * |
| 娄俊;苏俊宏;徐均琪;谢松林;: "He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值", 应用光学, no. 01, 15 January 2008 (2008-01-15) * |
| 朱德燕;彭志涛;向勇;: "大口径融石英光栅反射衍射的SBS损伤分析", 中国激光, no. 01, 17 October 2017 (2017-10-17) * |
| 李玉瑶 等: "薄膜激光损伤阈值标定技术", 激光技术, 30 November 2021 (2021-11-30) * |
| 杨镜新, 庄亦飞, 沈卫星, 林尊琪: "激光光斑有效面积的准确测定", 强激光与粒子束, no. 10, 15 October 2004 (2004-10-15) * |
| 汪莎;陈军;童立新;高清松;刘崇;唐淳;: "熔石英棒-光纤构成的新型复合相位共轭镜的实验和理论研究", 物理学报, no. 03, 15 March 2008 (2008-03-15) * |
| 胡建平;马平;许乔;: "光学元件的激光损伤阈值测量", 红外与激光工程, no. 02, 25 April 2006 (2006-04-25) * |
| 蔡卫刚;: "激光损伤阈值测试系统中光斑有效面积的测定", 中国科技信息, no. 19, 1 October 2011 (2011-10-01) * |
| 赵兴海;高杨;徐美健;段文涛;於海武;: "纳秒激光诱导石英光纤端面损伤特性研究", 物理学报, no. 08, 15 August 2008 (2008-08-15) * |
| 郭亚晶 等: "基于激光近场和图像分割技术的复合波长诱导熔石英损伤实验研究", 光学学报, 31 January 2013 (2013-01-31) * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115326804A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-11-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置与方法 |
| CN115326804B (zh) * | 2022-09-02 | 2024-05-14 | 哈尔滨工业大学 | 一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置与方法 |
| CN117607068A (zh) * | 2023-11-03 | 2024-02-27 | 宁波大学 | 一种光学材料激光损伤阈值准确测试方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114486190B (zh) | 2024-07-16 |
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