CN115096553A - 一种激光损伤阈值测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于测量材料的激光损伤阈值的测量装置及方法。该测量方法包括：调整能量衰减器的衰减系数，以逐渐增大泵浦光束的能量，持续记录泵浦光束、监测光束和探测光束的能量，直到样品被泵浦光束损坏，获得泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息；数据处理模块基于获得的泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息进行处理，得到待测样品的激光损伤阈值。该方法利用光程上探测光束比泵浦光束的要短，先通过透镜聚焦到样品上，起探测作用，在样品被损伤之前，探测光束的透射率保持不变，为直线，当样品被永久损伤后，探测光束的能量会突然发生变化，从而能准确确定样品的损伤阈值。

Description

一种激光损伤阈值测量方法和装置

技术领域

本申请属于测量仪器设备领域，具体涉及的一种准确测量用于测量材料的激光损伤阈值的方法和装置。

背景技术

激光限幅器是一种被动激光保护装置，是非线性光学的一个重要应用。理想的光限幅材料对低强度入射光具有较高的线性透过率,当入射光强度增加时,非线性效应减弱，透过率随之降低，激光被限制在一定的限制能量E_on下，其中E_on被定义为光限幅阈值，为透过率为线性透过率50％时，所对应的入射光能量通量。光限幅实验样品固定在透镜焦点附近，测量时连续调节激光器的功率，由探测器监测输入和输出能量，最后绘制出输入与输出能量的关系曲线，得到光限幅曲线。

高强功率的激光对一些元件及观测者会造成不可逆的伤害，利用非线性光学效应制成的光限幅器能够起到一个很好的激光防护作用，因此对于光限幅材料的研究也一直是个热门方向。

激光损伤阈值(laser-induced damage threshold)指的是光学元件所能承受的最大能量密度或功率密度。一旦超过这个临界值，将对材料造成损伤。而光限幅光路系统只能将光学薄膜的损伤阈值确定在一个大致的范围内，并不能精确地测量光学薄膜的损伤阈值。

发明内容

为克服上述缺点，本申请在光限幅技术的基础上进行改进，提出一种能精确测量用于测量材料的激光损伤阈值的测量方法和装置。

为了达到以上目的，本申请采用如下技术方案：

一种用于测量材料的激光损伤阈值的测量装置，其包括：

激光光源发出的激光被第一分束镜分为反射光路及透射光路，其中，反射光路为泵浦光束，透射光路为探测光束，

所述探测光束经第二凸透镜后会聚照射到待测样品上，经第三凸透镜会聚至第三能量探头，

所述泵浦光束经过能量衰减器后入射至第二分束镜，

被第二分束镜反射的泵浦光束经过第一凸透镜会聚后入射至待测样品，泵浦光束穿透待测样品后被第二凸透镜会聚至第二能量探头；

透过第二分束镜的光束作为泵浦光束的监测光束，监测光束入射至第一能量探头；

通过第二能量探头采集的泵浦光束能量以及第一能量探头采集的监测光束能量比值，以获得作用在待测样品上的泵浦光束与其监测光束之间比值关系。测量装置实现了对用于测量材料的激光损伤阈值的精确测量。

在一实施方式中，该激光损伤阈值的测量装置还包括：扩束准直模组，其配置于激光光源的前方侧，用于将激光光源发出的激光准直后传输至第一分束镜。

在一实施方式中，该激光损伤阈值的测量装置还包括：

所述第一能量探头、第二能量探头及第三能量探头分别连接至数据处理模块。

在一实施方式中，该激光损伤阈值的测量装置，还包括：

测量时所述探测光束的光程小于泵浦光束的光程，探测光束通过第二凸透镜会聚到待测样品上，且在待测样品被损伤之前，探测光束的透射率保持不变，当样品被损伤后，探测光束的能量发生突变，以确定样品的损伤阈值。

在一实施方式中，该激光损伤阈值的测量装置，还包括：

探测光束上设置的第一反射镜、第二反射镜，泵浦光束上设置的第三反射镜；通过调整所述第一反射镜及第二反射镜的位姿，以及调制第三反射镜的位姿分别使得探测光束和泵浦光束分别入射至待测样品。

在一实施方式中，该探测光束落在待测样品的第一光斑尺寸小于泵浦光束落在待测样品的第二光斑尺寸。以确保能够探测到待测样品的损伤变化。

在一实施方式中，该探测光束落在待测样品的第一光斑与泵浦光束落在待测样品的第二光斑部分重叠。

本申请实施例提出一种利用上述测量材料的激光损伤阈值的测量装置进行测量的测量方法，该方法包括如下步骤：

S1.调整能量衰减器的衰减系数，以逐渐增大入射至待测样品的浦光束能量，持续监测第三能量探头的能量数值，在待测样品被损伤之前，探测光束的透射率保持不变，当监测到第三能量探头的能量数值发生突变，则判定待测样品被泵浦光束损坏，记录第一能量探头、第二能量探头及第三能量探头的能量数值以获得待测样品激光损伤阈值处的泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息；

S2.数据处理模块基于获得的泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息进行处理，得到待测样品的激光损伤阈值。

在一实施方式中，该步骤S2之前还包括：

获得作用在待测样品上的泵浦光束与监测光束的比值曲线。

在一实施方式中，该步骤S2中包括：

将获得的比值曲线乘以测量的探测光束的能量，得到入射到待测样品的泵浦光束的能量，

将泵浦光束的能量除以泵浦光束的束腰面积，获得泵浦光束的能流并以此作为横坐标，

将探测光束的能量进行归一化处理并以此作为纵坐标，获得归一化探测光束的突变位置的泵浦光束的能流，即为材料的激光损伤阈值。

有益效果

与现有技术相比，本申请提出的测量装置实现了对用于测量材料的激光损伤阈值的精确测量。该装置中利用探测光束的光程比泵浦光束的短，先通过透镜聚焦到样品上，起探测作用，在样品被损伤之前，探测光束的透射率保持不变，为直线，当样品被永久损伤后，探测光束的能量会突然发生变化，从而能准确确定样品的损伤阈值。在样品表面，探测光束和泵浦光束在样品上重合，探测光束的光斑尺寸要小于泵浦光束的光斑尺寸，确保探测区域能够探测到样品的损伤变化。探测光束能量发生突然发生变化的位置即为材料的损伤阈值。

同其他测量技术相比，具有以下优点：

可实时且精确地获得材料的激光损伤阈值，无需激光作用后再去确定材料有没有被损伤，大大提高了测量相关参数的灵敏度及精确度。测量装置结构简单，操作方便，现象直观、明显；且可以避免材料自身的非线性效应对测量的影响。

附图说明

附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本申请内容。

图1为实施例一中用于测量材料的激光损伤阈值的测量装置结构示意图；

图2为实施例二中用于测量材料的激光损伤阈值的测量装置结构示意图；

图3为ZnSe材料在激光作用下第一个点的输出能量与输入能量的关系图；

图4为ZnSe材料在激光作用下第二个点的输出能量与输入能量的关系图；

图5为ZnSe材料在激光作用下第三点的输出能量与输入能量的关系图；

其中：1-激光光源，2-扩束准直模组，3-第一分束镜，4-能量衰减器，5-第二分束镜，6-第一能量探头，7-第三反射镜，8-第一凸透镜，9-待测样品，10-第二凸透镜，11-第二能量探头，12-第一反射镜，13-第二反射镜，14-第二凸透镜，15-第三凸透镜，16-第三能量探头，17-数据处理模块。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。

除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本文中，“电性连接”包括构成要素通过具有某种电作用的元件连接在一起的情况。“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接的构成要素间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

实施例一

一种用于测量材料的激光损伤阈值的测量装置，如图1所示包括：

激光光源1发出的激光经扩束准直模组后入射至第一分束镜3，被第一分束镜分为反射光路及透射光路，其中反射光路为泵浦光束，透射光路为探测光束，

所述泵浦光束经过能量衰减器4后入射至第二分束镜5，被第二分束镜反射的泵浦光束经过第一凸透镜8会聚后入射至待测样品，泵浦光束穿透待测样品9后被第二凸透镜10会聚至第二能量探头11；透过第二分束镜的光束作为泵浦光束的监测光束，监测光束入射至第一能量探头6；

通过第二能量探头采集的泵浦光束能量以及第一能量探头采集的监测光束能量比值获得作用在待测样品上的泵浦光束与其监测光束之间比值关系，

所述探测光束经经第二凸透镜14后会聚照射到待测样品上，经第三凸透镜15会聚至第三能量探头16。

实施例二

实施例一基础上，为了更方便将探测光束和泵浦光束折转至待测样品，并调制其探测光束与泵浦光束入射至待测样品的夹角，一种用于测量材料的激光损伤阈值的测量装置，如图2所示在探测光束上设置的第一反射镜12、第二反射镜13，泵浦光束上设置的第三反射镜7；通过调整所述第一反射镜及第二反射镜的位姿，以及调制第三反射镜的位姿分别使得探测光束和泵浦光束入射至待测样品；第一能量探头、第二能量探头及第三能量探头分别连接至数据处理模块17。

实验前首先不放置样品9，通过能量第二探测器11和第一能量探头6获得作用在样品上的泵浦光束与其监测光束之间比值关系。测量过程中，比值关系乘以监测光束的第一能量探头6探测的能量即为作用在样品上泵浦光束的能量。

在光程上探测光束经过第一分束器3后，经过第一反射镜12和第二反射镜13反射后到达待测样品9的光程要比泵浦光束到达待测样品的要短，起探测作用。在样品被损伤之前，探测光束的透射率保持不变，当样品被损伤后，探测光束的能量会突然发生变化，从而能准确确定样品的损伤阈值。在样品表面，探测光束和泵浦光束在样品上需要重合，利用第三反射镜7和第二反射镜13控制泵浦光束和探测光束之间的夹角很小，探测光束的光斑尺寸要小于泵浦光束的光斑尺寸，确保探测区域能够探测到样品的损伤变化。探测光束能量发生突然发生变化的位置即为材料的损伤阈值。该方式可广泛用于测量材料的激光损伤阈值的精确测量。

在一个实施例中，实验在室温下波长为532nm、脉宽为6ns、脉冲重复频率为10Hz。利用能量衰减器，使入射激光能量密度按相同的幅度增加，将具有相同的时间间隔的能量脉冲入射作用在相同的测样点上，记录发生损伤的激光能量密度(测试点单位面积上的激光能量)，所对应的激光能量密度值即为该点的损伤阈值。

在实验中，入射到样品前表面上的泵浦光束在焦点处的束腰是17.7微米，到达样品的泵浦光束偏离焦点位置大约10mm，样品上的泵浦光束的束腰半径约为101微米。探光在样品表面上的光斑大小与透镜焦点处的光斑大小一致，输入通量恒定为0.1J/cm²。

使用厚度为3毫米的ZnSe来验证该方法的有效性。由于增加的光程差(2m，大约6.6ns的延迟)，泵浦光束比探测光束晚到达样品。探测光束的第一个脉冲到达样品上，未导致损伤；在6.6ns的延迟之后，泵浦光束的第一个脉冲到达样品上并导致了样品损伤。接下来，当第二探光脉冲到达样品时，检测到了损伤。该时间间隔等于一个脉冲间隔(脉冲重复频率为10Hz)减去相应的光程差，即0.1s-6.6ns。这个时间间隔(约0.1s)足够一些超快动态过程的弛豫及恢复，比如说ZnSe样品的双光子吸收或载流子吸收。图3至图5为ZnSe样品3个不同点损伤阈值的测量结果，通过ZnSe样品后的能流随入射到样品前泵浦光的能流增加的变化曲线可以明显看出泵浦光束曲线中没有突变的位置，这是由于ZnSe具有一定的非线性效应，在LIDT附近的范围内，输出能量并不随着输入能量的增加而增加，这使得泵浦光束无法确定损伤的具体位置。此外，ZnSe的光限幅效应导致透过率随着输入能量的增加而降低，损伤发生后，随着能量的增加和损伤面积的扩大，通过样品的光发生散射，透过率进一步降低，甚至能降低到10％以下。因为没有确定损伤的具体位置，透过率的下降趋势可能被误认为是样品的光限幅效应。而探测光束能有效地检测损伤位置，图3至图5中探测光束先是保持恒定的初始能量值，随后损伤出现，探测光束出现了一个急剧下降的拐点，发生该突变拐点被定义为样品的损伤阈值。因为样品损伤后，透过的光被散射，探测器探测到的能量减弱，而探测光束的输入通量为恒定值。它的变化可以解释通过样品的散射光的变化，即样品透过率的变化，进一步说明样品受到了不可逆的损伤。在实验中，我们测量了同一平面上的S1至S9共计九个损伤点，并比较了不同位置的损伤阈值(FLIDT)，测量结果如表1所示，误差范围约为12％。当光束到达第一个表面时，引起一定的能量积累，热量的不断积累导致样品的损坏。在某种意义上，损伤可以近似地视为样品达到某一热烧蚀阈值，这与已报道的对损伤阈值的评估一致。

表1.在10Hz、532nm和6ns的实验条件下ZnSe在不同点的损伤阈值

光学元件的激光损伤是一个复杂的过程，由激光参数和器件的性能决定。由于制造方法和加工工艺等偶然因素，元件的损伤效果也会有很大的不同。此外，由于外部因素和杂质划痕的存在，也会导致材料中的缺陷吸收能量，以热和力的形式引起温度升高致使材料损伤。我们实验中，ZnSe杂质的随机分布及其物理和化学性质导致其损伤程度的不确定性，而杂质的热吸收是ZnSe样品前表面损伤的直接诱因。因此，从表1上看，同一ZnSe样品，在不同位置测量的损伤阈值也会有差异，在532nm(重复频率为10Hz)的损伤阈值约为2.439J/cm²，

本申请提出一种利用上述测量装置的测量方法，其包括如下步骤：

S1.调整能量衰减器的衰减系数，以逐渐增大泵浦光束的能量，持续记录泵浦光束、监测光束和探测光束的能量，直到样品被泵浦光束损坏，获得泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息；

S2.数据处理模块基于获得的泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息进行处理，得到待测样品的激光损伤阈值。

该测量方法可实时且精确地获得材料(待测样品)的激光损伤阈值，无需激光作用后再去确定材料有没有被损伤，大大提高了测量相关参数的灵敏度及精确度，可以避免材料自身的非线性效应对测量的影响。较佳的，在S2.获得作用在待测样品上的泵浦光束与监测光束的比值曲线。该步骤S2中包括：将获得的比值曲线乘以测量的探测光束的能量，得到入射到待测样品的泵浦光束的能量，将泵浦光束的能量除以泵浦光束的束腰面积，获得泵浦光束的能流并以此作为横坐标，将探测光束的能量进行归一化处理并以此作为纵坐标，获得归一化探测光束的突变位置的泵浦光束的能流，即为材料的激光损伤阈值。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光损伤阈值的测量装置，其特征在于，包括：

激光光源发出的激光被第一分束镜分为反射光路及透射光路，其中，反射光路为泵浦光束，透射光路为探测光束，

所述探测光束经第二凸透镜后会聚照射到待测样品上，经第三凸透镜会聚至第三能量探头，

所述泵浦光束经过能量衰减器后入射至第二分束镜，

被第二分束镜反射的泵浦光束经过第一凸透镜会聚后入射至待测样品，泵浦光束穿透待测样品后被第二凸透镜会聚至第二能量探头；

透过第二分束镜的光束作为泵浦光束的监测光束，监测光束入射至第一能量探头；

通过第二能量探头采集的泵浦光束能量以及第一能量探头采集的监测光束能量比值，以获得作用在待测样品上的泵浦光束与其监测光束之间比值关系。

2.如权利要求1所述的激光损伤阈值的测量装置，其特征在于，还包括：

扩束准直模组，其配置于激光光源的前方侧，用于将激光光源发出的激光准直后传输至第一分束镜。

3.如权利要求1所述的激光损伤阈值的测量装置，其特征在于，还包括：

所述第一能量探头、第二能量探头及第三能量探头分别连接至数据处理模块。

4.如权利要求1所述的激光损伤阈值的测量装置，其特征在于，还包括：

第一反射镜和第二反射镜，

经第一分束镜后的所述探测光束，依次经第一反射镜和第二反射镜反射后经第二凸透镜后会聚照射到待测样品上，经第三凸透镜会聚至第三能量探头。

5.如权利要求4所述的激光损伤阈值的测量装置，其特征在于，还包括：

第三反射镜,被第二分束镜反射的泵浦光束经第三反射镜反射后经第一凸透镜会聚后入射至待测样品，泵浦光束穿透待测样品后被第二凸透镜会聚至第二能量探头。

6.如权利要求5所述的激光损伤阈值的测量装置，其特征在于，还包括：

所述第一反射镜、第二反射镜及所述第三反射镜上分别配置有调节部件，调整所述调节部件以调整所述第一反射镜、第二反射镜及所述第三反射镜的姿势，使得探测光束、泵浦光束分别入射至待测样品上。

7.如权利要求1-6中任一项所述的激光损伤阈值的测量装置，其特征在于，

所述探测光束落在待测样品的第一光斑尺寸小于泵浦光束落在待测样品的第二光斑尺寸，或，

所述探测光束落在待测样品的第一光斑与泵浦光束落在待测样品的第二光斑部分重叠，以确保能够探测到待测样品的损伤变化。

8.一种激光损伤阈值测量方法，其特征在于，利用权利要求1-7中任一项所述的测量材料的激光损伤阈值的测量装置进行测量，包括如下步骤：

S1.调整能量衰减器的衰减系数，以逐渐增大入射至待测样品的浦光束能量，持续监测第三能量探头的能量数值，在待测样品被损伤之前，探测光束的透射率保持不变，当监测到第三能量探头的能量数值发生突变，则判定待测样品被泵浦光束损坏，记录第一能量探头、第二能量探头及第三能量探头的能量数值以获得待测样品激光损伤阈值处的泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息；

S2.数据处理模块基于获得的泵浦光束、监测光束和探测光束的能量信息进行处理，得到待测样品的激光损伤阈值。

9.根据权利要求8所述的一种激光损伤阈值测量方法，其特征在于，还包括：

步骤S2之前还包括：

获得作用在待测样品上的泵浦光束与监测光束的比值曲线。

10.根据权利要求9所述的一种激光损伤阈值测量方法，其特征在于，

步骤S2中包括：

将获得的比值曲线乘以测量的探测光束的能量，得到入射到待测样品的泵浦光束的能量，

将泵浦光束的能量除以泵浦光束的束腰面积，获得泵浦光束的能流并以此作为横坐标，

将探测光束的能量进行归一化处理并以此作为纵坐标，获得归一化探测光束的突变位置的泵浦光束的能流，即为材料的激光损伤阈值。

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