CN114486813B - 一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置与方法，通过设置λ/2波片和偏振分光棱镜组成作用激光的衰减调节单元，λ/2波片和偏振分光棱镜组成激光偏振分光单元，可实现在相同测试条件下，测试s线偏振光和p线偏振光对同一元器件的损伤阈值；通过在第二偏振分光棱镜的反射光路和透射光路中设置切入和切出的λ/4波片，可实现在相同测试条件下，测试圆偏振光和椭圆偏振光对同一元器件的损伤阈值，还可测试圆偏振光和椭圆偏振光对同一元器件的损伤阈值，或者测试线偏振光和任意偏振光对同一元器件的损伤阈值；本装置为了提高散射探测灵敏度，采用线偏振光散射探测法测试样品损伤情况，同时可以测试线偏正光散射后偏振特性是否发生变化。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置与方法。
背景技术
光学薄膜是激光光学系统的重要组成部分，其中偏振薄膜元件是高功率激光系统中的光开关、光隔离器的关键元器件。光学薄膜的抗激光损伤能力是制约高功率激光系统发展与应用的关键因素。偏振态是激光光束的特征参数之一，不同偏振态激光对于不同特性材料的损伤阈值不同。激光损伤阈值测试是衡量光学抗激光损伤能力的关键技术手段，精确的具有不同偏振态激光损伤阈值测试功能的测试装置，对光学元件的应用范围与质量的提升研究具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置与方法，可实现p偏振态、s偏振态和任意偏振态激光损伤阈值测试，可对不同类型的样品进行测试。
一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置，包括激光器1和激光损伤测试光路；所述激光损伤测试光路包括：第一λ/2波片2、聚焦系统3、第一偏振分光棱镜4、第二λ/2波片5、第二偏振分光棱镜6、第一测试样品7、第二测试样品8、分光镜9、光束分析仪11、能量计12、第一λ/4波片38和第二λ/4波片39；
激光器1发射的激光光束经过第一λ/2波片2后，经聚焦系统3聚焦后进入第一偏振分光棱镜4，被其分成两束激光，其中反射激光经分光镜9分成两束分别送入光束分析仪11和能量计12；透射激光经第二λ/2波片5进入第二偏振分光棱镜6；从第二偏振分光棱镜6反射和透射的激光分别入射到第一待测样品7表面和第二待测样品8表面；
第一λ/4波片38放置在第二偏振分光棱镜6的透射光路中，并可在该光路中切入和切出；第二λ/4波片39放置在第二偏振分光棱镜6的反射光路中，并可在该光路中切入和切出。
进一步的，还包括第一显微成像系统，其进一步包括：第一单色光源13、第一准直系统14、第一聚焦系统15和第一光电成像单元16；第一单色光源13发出的光经第一准直系统14照射到第一测试样品7的测试点上，经第二聚焦系统15在第一光电成像单元16上成像。
进一步的，还包括第二显微成像系统，其进一步包括：第二单色光源17、第二准直系统18、第二聚焦系统19和第二光电成像单元20；第二单色光源17发出的光经第二准直系统18照射到第二测试样品8的测试点上，经第三聚焦系统19在第四光电成像单元20上成像。
进一步的，还包括第一散射探测系统，其进一步包括：第三单色光源21、第三偏振分光棱镜22、第一斩波器23、第一光电探测器24、锁相放大器28、第四偏振分光棱镜25、第二光电探测器26、第三光电探测器27、第一光收集器29；
第三单色光源21发射的光经第三偏振分光棱镜22后，反射的s光进入第一光收集器29；经第三偏振分光棱镜22透射的光经第一斩波器23调频后照射到第一测试样品7的测试点，经过测试点的散射光进入第一光电探测器24，第一光电探测器24与锁相放大器28连接，在锁相放大器28上显示光信号强度；经第一光电探测器24散射的光经第四偏振分光棱镜25透射后进入第二光电探测器26，第三光电探测器27用于接收第四偏振分光棱镜25散射的光线。
进一步的，还包括第二散射探测系统，其进一步包括：第四单色光源30、第五偏振分光棱镜31、第二斩波器32、第四光电探测器33、锁相放大器28、第五偏振分光棱镜34、第五光电探测器35、第六光电探测器36、第二光收集器37；
第四单色光源30发射的光经第五偏振分光棱镜31后，透射的光进入第二光收集器37；反射的光经第二斩波器32调频后照射到第二测试样品8的测试点，经过测试点的散射光进入第四光电探测器33，第四光电探测器33与锁相放大器28连接，在锁相放大器28上显示光信号强度；
第四光电探测器33用于接收第四光电探测器33散射的光线，散射光经第五偏振分光棱镜34后进入第五光电探测器35，透射光线和反射光线对应的由第六光电探测器36和第五光电探测器35接收。
一种基于不同偏振态激光损伤阈值测试的装置的测试方法，，测试样品激光损伤阈值时，首先调节第二λ/2波片5，使经过第二偏振分光棱镜6后作用在第一测试样品7和第二测试样品8的激光功率或者能量始终一致，但偏振态不同；再通过调节第一λ/2波片2调节作用在第一测试样品7和样第二测试品8上激光功率或能量的大小。
一种基于不同偏振态激光损伤阈值测试的装置的测试方法，，当测试样品在任意偏振态激光条件下的损伤阈值时，移动第一λ/4波片38或第二λ/4波片39进入测试光路，通过旋转第一λ/4波片38或第二λ/4波片39角度，使作用在第一测试样品7上的激光从线偏振光变成任意偏振态，作用在第二样品8上的激光从线偏振光变成任意偏振态。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置与方法，通过设置第一λ/2波片和第一偏振分光棱镜组成作用激光的衰减调节单元，第二λ/2波片和第二偏振分光棱镜组成激光偏振分光单元，可实现在相同测试条件下，测试s线偏振光和p线偏振光对同一元器件的损伤阈值；通过在第二偏振分光棱镜的反射光路和透射光路中设置切入和切出的第一λ/4波片和第二λ/4波片，可实现在相同测试条件下，测试圆偏振光和椭圆偏振光对同一元器件的损伤阈值；其中，可以使第一1/4波片和第二1/4波片移动到光路中，一个旋转45°，另一个旋转其他角度，即可测试圆偏振光和椭圆偏振光对同一元器件的损伤阈值，或者测试线偏振光和任意偏振光对同一元器件的损伤阈值；
第一测试样品和第二测试样品可以是同一元器件，也可以是不同元器件，可满足不同元器件的同时测试。
此外，本装置为了提高散射探测灵敏度，采用线偏振光散射探测法测试样品损伤情况，同时可以测试线偏正光散射后偏振特性是否发生变化。
显微成像系统可对光滑表面的样品的损伤形貌清晰成像，而散射探测除了适应于光滑表面的样品探测外，可对非光滑表面样品进行损伤判断。
附图说明
图1为本发明的系统光路图；
其中，1-激光器，2-第一λ/2波片，3-第一聚焦系统，4-第一偏振分光棱镜，5-第二λ/2波片，6-第二偏振分光棱镜，7-第一测试样品，8-第二测试样品，9-分光镜，10-全返镜，11-光束分析仪，12-能量计，13-第一单色光源，14-第一准直系统、15-第二聚焦系统，16-第一光电成像单元，17-第二单色光源，18-第二准直系统，19-第三聚焦系统，20-第四光电成像单元，21-第三单色光源，22-第三偏振分光棱镜，23-第一斩波器，24-第一光电探测器，25-第四偏振分光棱镜，26-第二光电探测器，27-第三光电探测器，28-锁相放大器，29-第一光收集器，30-第四单色光源，31-第五偏振分光棱镜，32-第二斩波器，33-第四光电探测器、34-第五偏振分光棱镜，35-第五光电探测器、36-第六光电探测器，37-第二光收集器，38-第一λ/4波片，39-第二λ/4波片。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置与方法，包括以下部分：激光光源、激光损伤测试光路、显微成像系统以及散射探测系统，其中：
(1)激光光源包括激光器1，用于输出测试样品损伤阈值的激光；
(2)激光损伤测试光路包括：第一λ/2波片2、聚焦系统3、第一偏振分光棱镜4、第二λ/2波片5、第二偏振分光棱镜6、第一测试样品7、第二测试样品8、分光镜9、全返镜10、光束分析仪11、能量计12、第一λ/4波片38和第二λ/4波片39；
激光器1发射的激光光束经过第一λ/2波片2后，经聚焦系统3聚焦后进入第一偏振分光棱镜4，被其分成两束激光，其中反射激光经分光镜9分成两束分别送入光束分析仪11和能量计12；透射激光经第二λ/2波片5进入第二偏振分光棱镜6；从第二偏振分光棱镜6反射和透射的激光分别入射到第一测试样品7表面和第二测试样品8表面；
第一λ/4波片38放置在第二偏振分光棱镜6的透射光路中，并可在该光路中切入和切出；第二λ/4波片39放置在第二偏振分光棱镜6的反射光路中，并可在该光路中切入和切出。
其中第一λ/2波片2和第一偏振分光棱镜4组成作用激光的衰减调节单元，用于调节作用激光的功率/能量大小。第二λ/2波片5和第二偏振分光棱镜6组成激光偏振分光单元。测试样品激光损伤阈值时，首先调节第二λ/2波片5，使经过第二偏振分光棱镜6后作用在第一测试样品7和第二测试样品8的激光功率/能量始终一致，但偏振态不同且唯一。再通过调节第一λ/2波片2调节作用在第一测试样品7和样第二测试品8上激光功率/能量的大小。
(3)损伤探测系统包括显微成像和散射探测两种方式，用于探测样品的损伤情况，得出损伤阈值。其中显微成像可直接拍摄损伤形貌，散射探测可以测试样品是否损伤。
第一显微成像系统包括：第一单色光源13、第一准直系统14、第一聚焦系统15和第一光电成像单元16；
第二显微成像系统包括：第二单色光源17、第二准直系统18、第二聚焦系统19和第二光电成像单元20。
第一散射探测系统包括：第三单色光源21、第三偏振分光棱镜22、第一斩波器23、第一光电探测器24、锁相放大器28、第四偏振分光棱镜25、第二光电探测器26、第三光电探测器27、第一光收集器29；其中第四偏振分光棱镜25、第二光电探测器26、第三光电探测器27，用于测试第三单色光源21经待第一测样品7上的测试点后的偏振态；
第二散射探测系统包括：第四单色光源30、第五偏振分光棱镜31、第二斩波器32、第四光电探测器33、锁相放大器28、第五偏振分光棱镜34、第五光电探测器35、第六光电探测器36、第二光收集器37；第五偏振分光棱镜34、第五光电探测器35、第六光电探测器36用于检测第四单色光源30经待第二测样品8上的测试点后的偏振态。
本装置/系统的具体工作过程如下：
激光器1输出的激光经第一λ/2波片2、聚焦系统3、第一偏振分光棱镜4、第二λ/2波片5、第二偏振分光棱镜6分别作用到第一测试样品7和第二测试样品8上。
(1)经第一偏振分光棱镜4反射的激光经分光镜9分光后，一束经全返镜10传输到光束分析仪11，另一束到达能量计12。
(2)光束分析仪11用于监测作用在样品上激光光束直径，能量计12用于监测作用在样品上激光的功率/能量。
(3)第二λ/2波片5和第二偏振分光棱镜6组成激光偏振分光单元。进行激光损伤阈值测试时，基于马吕斯定律，通过旋转1/2波片的角度改变入射偏振光偏振方向与偏振片放置方向的夹角大小来改变透过光的大小。首先调节第二λ/2波片5，使激光经过第二偏振分光棱镜6后分别作用在第一测试样品7和第二测试样品8的激光功率/能量始终一致，其中，作用在第一测试样品7上的激光为s偏振光，作用第二测试样品8上的激光为p偏振光。
(4)其中第一λ/2波片2和第一偏振分光棱镜4组成作用激光的衰减调节单元，用于调节作用激光的功率/能量大小。固定第二λ/2波片5保持不动，旋转第一1/2波片2，可改变从第一偏振分光棱镜4出射激光的功率或能量，但作用在第一测试样品7和第二测试样品8的激光功率/能量始终相等。且第一测试样品7和第二测试样品8到偏振分光棱镜6的距离相等，所以作用激光光斑大小一致，所以功率/能量密度一致。
(5)当测试样品在任意偏振态激光条件下的损伤阈值时，可移动第一λ/4波片38或第二λ/4波片39进入测试光路，通过旋转第一λ/4波片38或第二λ/4波片39角度，使作用在第一测试样品7上的激光为s线偏振光变成任意偏振态，作用在第二样品8上的激光为p线偏振光变成任意偏振态。
(6)第一显微成像系统中，第一单色光源13发出的光经第一准直系统14照射到第一测试样品7的测试点上，经第二聚焦系统15在第一光电成像单元16上成像。
(7)第二显微成像系统中，第二单色光源17发出的光经第二准直系统18照射到第二测试样品8的测试点上，经第三聚焦系统19在第四光电成像单元20上成像。
(8)第一散射探测系统中，第三单色光源21发射的光经第三偏振分光棱镜22后，反射的s光进入第一光收集器29，经第三偏振分光棱镜22透射的p光经第一斩波器23调频后照射到第一测试样品7的测试点，经过测试点的散射光进入第一光电探测器24，第一光电探测器24与锁相放大器28连接，在锁相放大器28上显示光信号强度。经第一光电探测器24散射的光经第四偏振分光棱镜25透射后进入第二光电探测器26，第三光电探测器27用于接收第四偏振分光棱镜25散射的光线，若第三光电探测器27也采集到了信号，说明p线偏振光经测试点散射后偏振态发生了变化。
其中第四偏振分光棱镜25、第二光电探测器26、第三光电探测器27，可用于检测第三单色光源21照射到第一测试样品7上的p偏振光经测试点散射后的偏振态是否发生变化。
(9)第二散射探测系统中，第四单色光源30发射的光经第五偏振分光棱镜31后，透射的p光进入第二光收集器37，反射的s光经第二斩波器32调频后照射到第二测试样品8的测试点，经过测试点的散射光进入第四光电探测器33，第四光电探测器33与锁相放大器28连接，在锁相放大器28上显示光信号强度。
第四光电探测器33用于接收第四光电探测器33散射的光线，散射光经第五偏振分光棱镜34后进入第五光电探测器35，透射光线和反射光线对应的由第六光电探测器36和第五光电探测器35接收，若第六光电探测器36也采集到了信号，说明s线偏振光经测试点散射后偏振态发生了变化。
其中第五偏振分光棱镜34、第五光电探测器35、第六光电探测器36可用于检测单色光源31照射到第二测试样品8上的s偏振光经测试点散射后的偏振态是否发生变化。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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 (3)
1.一种不同偏振态激光损伤阈值测试的装置，其特征在于，包括激光器(1)、激光损伤测试光路、第一显微成像系统、第二显微成像系统、第一散射探测系统和第二散射探测系统；所述激光损伤测试光路包括：第一λ/2波片(2)、聚焦系统(3)、第一偏振分光棱镜(4)、第二λ/2波片(5)、第二偏振分光棱镜(6)、第一测试样品(7)、第二测试样品(8)、分光镜(9)、光束分析仪(11)、能量计(12)、第一λ/4波片(38)和第二λ/4波片(39)；
激光器(1)发射的激光光束经过第一λ/2波片(2)后，经聚焦系统(3)聚焦后进入第一偏振分光棱镜(4)，被其分成两束激光，其中反射激光经分光镜(9)分成两束分别送入光束分析仪(11)和能量计(12)；透射激光经第二λ/2波片(5)进入第二偏振分光棱镜(6)；从第二偏振分光棱镜(6)反射和透射的激光分别入射到第一待测样品(7)表面和第二待测样品(8)表面；
第一λ/4波片(38)放置在第二偏振分光棱镜(6)的透射光路中，并可在该光路中切入和切出；第二λ/4波片(39)放置在第二偏振分光棱镜(6)的反射光路中，并可在该光路中切入和切出；
所述第一显微成像系统包括：第一单色光源(13)、第一准直系统(14)、第一聚焦系统(15)和第一光电成像单元(16)；第一单色光源(13)发出的光经第一准直系统(14)照射到第一测试样品(7)的测试点上，经第二聚焦系统(15)在第一光电成像单元(16)上成像；
所述第二显微成像系统包括：第二单色光源(17)、第二准直系统(18)、第二聚焦系统(19)和第二光电成像单元(20)；第二单色光源(17)发出的光经第二准直系统(18)照射到第二测试样品(8)的测试点上，经第三聚焦系统(19)在第四光电成像单元(20)上成像；
所述第一散射探测系统包括：第三单色光源(21)、第三偏振分光棱镜(22)、第一斩波器(23)、第一光电探测器(24)、锁相放大器(28)、第四偏振分光棱镜(25)、第二光电探测器(26)、第三光电探测器(27)、第一光收集器(29)；第三单色光源(21)发射的光经第三偏振分光棱镜(22)后，反射的s光进入第一光收集器(29)；经第三偏振分光棱镜(22)透射的p光经第一斩波器(23)调频后照射到第一测试样品(7)的测试点，经过测试点的散射光进入第一光电探测器(24)，第一光电探测器(24)与锁相放大器(28)连接，在锁相放大器(28)上显示光信号强度；经第一光电探测器(24)散射的光经第四偏振分光棱镜(25)透射后进入第二光电探测器(26)，第三光电探测器(27)用于接收第四偏振分光棱镜(25)散射的光线；
所述第二散射探测系统包括：第四单色光源(30)、第五偏振分光棱镜(31)、第二斩波器(32)、第四光电探测器(33)、锁相放大器(28)、第五偏振分光棱镜(34)、第五光电探测器(35)、第六光电探测器(36)、第二光收集器(37)；第四单色光源(30)发射的光经第五偏振分光棱镜(31)后，透射的p光进入第二光收集器(37)；反射的s光经第二斩波器(32)调频后照射到第二测试样品(8)的测试点，经过测试点的散射光进入第四光电探测器(33)，第四光电探测器(33)与锁相放大器(28)连接，在锁相放大器(28)上显示光信号强度；第四光电探测器(33)用于接收第四光电探测器(33)散射的光线，散射光经第五偏振分光棱镜(34)后进入第五光电探测器(35)，透射光线和反射光线对应的由第六光电探测器(36)和第五光电探测器(35)接收。
2.一种基于权利要求1所述的不同偏振态激光损伤阈值测试的装置的测试方法，其特征在于，测试样品激光损伤阈值时，首先调节第二λ/2波片(5)，使经过第二偏振分光棱镜(6)后作用在第一测试样品(7)和第二测试样品(8)的激光功率或者能量始终一致，但偏振态不同；再通过调节第一λ/2波片(2)调节作用在第一测试样品(7)和样第二测试品(8)上激光功率或能量的大小；其中，作用在第一测试样品(7)上的激光为s光，作用第二测试样品(8)上的激光为p光。
3.一种基于权利要求1所述的不同偏振态激光损伤阈值测试的装置的测试方法，其特征在于，当测试样品在任意偏振态激光条件下的损伤阈值时，移动第一λ/4波片(38)或第二λ/4波片(39)进入测试光路，通过旋转第一λ/4波片(38)或第二λ/4波片(39)角度，使作用在第一测试样品(7)上的s光从线偏振光变成任意偏振态，作用在第二样品(8)上的p光从线偏振光变成任意偏振态。
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