CN115436326A - 测量材料防护阈值的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量材料激光防护阈值的方法及其装置，其中，测量方法是采用透镜进行激发光聚焦，使用能量计/功率计对透射信号、反射信号、散射信号进行收集，使用光束质量分析仪对光斑进行同步成像，可以实现对样品透过率、反射率、散射率的测量，进而得到材料的防护阈值参数。本发明方法适用于透明、非透明样品的测量。

Description

测量材料防护阈值的方法及其装置
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种测量材料防护阈值的方法及其装置。
技术背景
现代激光技术的迅速发展使得激光在测距、雷达和通讯等领域得到广泛应用。随之而来，人眼及各种光电探测设备受到的威胁日益增加，其防护需求变得越来越紧迫。发展高性能的激光防护材料，是对这些设备实施防护的一种有效手段。
材料起始防护阈值、防护阈值和损伤阈值等参数的测量，材料激光防护性能的验证，对于开发高性能的激光防护材料至关重要。测试材料防护阈值的技术手段包括Z扫描技术和强度扫描技术等。
Z扫描技术采用单光束测量，样品在测试过程中需沿着单光束光轴方向移动.通过Z扫描技术可以获得样品在不同Z点位置即不同光强下与其透过率的关系曲线，也就是Z扫描曲线。通过改变入射激光能量进行多次Z扫描测量，我们就可以得到样品的起始防护阈值、防护阈值和损伤阈值等参数。
强度扫描技术通过测量入射样品前表面的光脉冲能量E0和透过的能量ET，就可以得到样品的透过率T＝ET/E0。通过改变入射激光的强度，从而得到样品透过率随入射激光能量的变化曲线，进而得到样品的起始防护阈值、防护阈值和损伤阈值等参数。
然而，Z扫描技术和强度扫描技术也存在以下缺点。1)测量的是透过率的变化，所以样品必须为透明或半透明样品。2)对样品要求较高，必须是薄样品(厚度小于系统的瑞利长度)，而且样品表面光滑。3)对于微观样品(样品尺寸与激光的束腰半径相当)，Z扫描测量无法实施。其原因是样品在光轴方向上移动时，会造成部分光斑未照射在样品上，从而使得这部分的非线性效应丢失，造成测量不准确。4)激光探测采用的是探测器，在高能激光作用下容易造成损伤。因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测量材料防护阈值的系统及方法，旨在解决现有技术难以实现对透明/非透明样品在高能激光辐照下对防护阈值进行测量的问题。
本发明的技术方案如下：
一种测量材料防护阈值的方法，其特点在于，包括步骤：
基线测量阶段：
①构建第一反射光路并探测其能量：
设置激光器，并沿该激光器的输出光束方向依次设置第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一小孔光阑和第一分光平片；所述的第一分光平片，将入射光分为第一反射光和第一透射光两束光；所述的第一反射光经第三聚焦透镜聚焦后，由所述的第一探测器探测第一反射光的能量(功率)PD1基，并传输至计算机；
②构建第一透射光路并探测其能量：
沿所述的第一透射光的传输方向依次设置第一聚焦透镜60、第二小孔光阑、第二聚焦透镜和第二探测器；所述的第二小孔光阑与所述第一小孔光阑等高，且所述的第二聚焦透镜的焦点和第一聚焦透镜的焦点重合，由所述的第二探测器探测第一透射光的能量(功率)PD2基，并传输至计算机；
③构建第二反射光路并探测其能量：
在所述的第一聚焦透镜和第二小孔光阑之间、第一聚焦透镜的焦点处放置待测样品，经该待测样品反射的反射光经第一分光平片50反射后，由第二分光平片53分为第二反射光和第二透射光两束光；将光束质量分析仪替换待测样品，测量样品位置处的光斑面积；
重新放置样品后，沿所述的第二反射光的传输方向，放置第五聚焦透镜56与光束质量分析仪，且调整二者间距，使所述光束质量分析仪当前光斑面积与样品位置处的光斑面积相同；
④构建第二透射光路并探测其能量：
沿所述第二透射光的传输光路方向设置第四聚焦透镜54和第三探测器55，由所述的第三探测器探测第二透射光的能量(功率)PD3基，并传输至计算机；
⑤构建散射光路并探测其能量：
在待测样品预放置位置的侧面，设置第六聚焦透镜71和第四探测器72，由所述的第四探测器探测散射光的能量(功率)PD4基，并传输至计算机；
样品测量阶段：
⑥将待测样品放置在样品架上，调节待测样品使其表面与主光路垂直，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器将探测到的能量(功率)信号输入到所述计算机中，分别记为PD1样、PD2样、PD3样、PD4样，所述光束质量分析仪探测到的当前光斑面积输入到所述计算机中，记为A；
⑦计算待测样品的透过率T、反射率R和散射率S，公式如下：
Figure BDA0003824794600000031
⑧以测试时间为横坐标，透过率T、反射率R、散射率S和光斑面积A为纵坐标，分别绘制待测样品的透过率曲线、反射率曲线、散射率曲线和光斑面积曲线。
实施上述测量材料防护阈值的方法的装置，其特点在于，包括激光器、沿所述脉冲激光器的输出光束方向依次设置的第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一小孔光阑和第一分光平片；
所述的第一分光平片，将入射光分为第一反射光和第一透射光两束光；
所述的第一反射光经第三聚焦透镜聚焦后，由所述的第一探测器、第一聚焦透镜、待测样品、第二小孔光阑、第二聚焦透镜和第二探测器；沿所述第一分光平片的反射光方向依次设置有第三聚焦透镜和第一探测器，沿所述第一分光平片的反射方向的另一侧设置有第二分光平片、第四透镜和第三探测器；沿所述第二分光平片的反射方向设置有第五透镜和光束质量分析仪；沿所述样品的侧面设置有第六透镜和第四探测器；所述待测样品设置在五维精密平移台上；还包括与所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器分别电连接的计算机；所述光束质量分析仪与所述计算机电连接。
优选的，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器可以扩展为第一能量计/功率计、第二能量计/功率计、第三能量计/功率计和第四能量计/功率计。
优选的，所述第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一分光平片、第二分光平片与光轴夹角均为45°。
优选的，所述第一分光平片对所述经过第一小孔光阑后激光的透反比为9∶1，所述第二分光平片对所述经过待测样品反射回来的光被第一分光平片反射后激光的透反比为9∶1。
与现有技术相比，本发明有益效果：
本发明通过测量激光经过样品后的透射率、反射率、散射率变化，突破了Z扫描和强度扫描技术只能测量透明、半透明薄样品的限制；该系统实现了自动化控制，具有集成度高、简单、灵敏、快速的特点；该系统采用光束质量分析仪可以实现光斑大小的实时监测；该系统使用五维精密平移台控制样品位置，可以实现对样品位置及角度的精确控制；该系统使用功率计、能量计进行激光能量的探测，可以实现高能激光辐照下材料防护阈值的测试。
附图说明
图1为本发明一种测量材料防护阈值的系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种测量材料防护阈值的系统结构示意图，如图所示，包括激光器10、沿所述脉冲激光器10的输出光束方向依次设置的第一镀膜全反镜20、第二镀膜全反镜30、第一小孔光阑40、第一分光平片50、第一聚焦透镜60、待测样品70、第二小孔光阑80、第二聚焦透镜90和第二探测器100；沿所述第一分光平片50的反射光方向依次设置有第三聚焦透镜51和第一探测器52，沿所述第一分光平片50的反射方向的另一侧设置有第二分光平片53、第四聚焦透镜54和第三探测器55，沿所述第二分光平片53的反射光方向设置有第五聚焦透镜56和光束质量分析仪57；沿所述待测样品70的侧面设置有第六聚焦透镜71和第四探测器72，所述待测样品70设置在五维精密平移台73上；还包括与所述第一探测器52、第二探测器100、第三探测器55和第四探测器72分别电连接的计算机110；所述光束质量分析仪57和所述计算机110电连接。
在本实施例中，所述第一镀膜全反镜20、第二镀膜全反镜30、第一分光平片50、第二分光平片53与光轴夹角均为45°。所述第一分光平片50对所述经过第一小孔光阑40后激光的透反比为9∶1，所述第二分光平片53对所述经过待测样品70反射回来的光被第一分光平片50反射后激光的透反比为9∶1。
本发明采用聚焦透镜进行激发光聚焦、信号光收集，采用光束质量分析仪进行光斑同步探测，使用五维精密平移台控制待测样品位置和角度，使用能量计、功率计进行激光能量的探测，从而可以测量材料在高能激光辐照下的激光防护阈值。该系统可以同时测量材料的透过率、反射率、散射率，突破了Z扫描和强度扫描系统只能测量薄的透明、半透明样品的限制，对待测样品表面要求较低，可以测量多种材质、厚的、透明与非透明样品。本实施例提供的系统还实现了自动化控制，具有集成度高、简单、灵敏、快速的特点。
本发明实施方式还提供了一种测量材料防护阈值的方法，主要是测得待测样品的透过率、反射率和散射率数据，然后对透过率、反射率和散射率数据进行分析获得待测样品的起始防护阈值、防护阈值和损伤阈值参数，其包括以下步骤：
打开阈值检测系统控制程序(打开光束质量分析仪测试软件)，将光束质量分析仪放置在所述第一聚焦透镜之后待测样品处测量激光面积，沿激光传播方向调整所述第五聚焦透镜与所述光束质量分析仪之间距离，保证所述光束质量分析仪处光斑面积与所述样品位置处光斑面积相同；
定义(沿激光传播方向)自所述样品位置经所述第二小孔光阑、第二聚焦透镜至所述第二探测器前激光光强衰减率为透射模块衰减率；定义(沿激光传播反方向)自所述样品位置经第一聚焦透镜、第一分光平片、第二分光平片、第四聚焦透镜至所述第三探测器前激光光强衰减率为反射模块衰减率；通过计算机设置所述阈值检测系统控制程序参数，包括透射模块衰减率、反射模块衰减率和测试总时长，进行基线测量，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器将探测到的能量(功率)信号输入到所述计算机中，分别记为PD1基、PD2基、PD3基、PD4基；
将待测样品放置在样品架上，调节待测样品使其表面与主光路垂直，进行样品测量，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器将探测到的能量(功率)信号输入到所述计算机中，分别记为PD1样、PD2样、PD3样、PD4样，所述光束质量分析仪探测到的光斑面积输入到所述计算机中，记为A；
以测试时间为横坐标，利用公式
Figure BDA0003824794600000071
和
Figure BDA0003824794600000072
计算得到所述待测样品的透过率T、反射率R和散射率S为纵坐标，所绘曲线为待测样品的透过率曲线、反射率曲线和散射率曲线；以光斑面积A为纵坐标，所绘曲线为光斑面积曲线。
本实施例提供的方法利用聚焦透镜进行激发光聚焦，利用光束质量分析仪进行光斑同步探测，利用能量计、功率计对激光能量进行探测；同时使用五维精密平移台控制待测样品的位置和角度，实现了对透明、非透明样品的防护阈值测量(包括起始防护阈值、防护阈值和损伤阈值数据)。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种测量材料防护阈值的方法，其特征在于，包括步骤：
基线测量阶段：
①构建第一反射光路并探测其能量：
设置激光器，并沿该激光器的输出光束方向依次设置第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一小孔光阑和第一分光平片；所述的第一分光平片，将入射光分为第一反射光和第一透射光两束光；所述的第一反射光经第三聚焦透镜聚焦后，由所述的第一探测器探测第一反射光的能量(功率)PD1基，并传输至计算机；
②构建第一透射光路并探测其能量：
沿所述的第一透射光的传输方向依次设置第一聚焦透镜60、第二小孔光阑、第二聚焦透镜和第二探测器；所述的第二小孔光阑与所述第一小孔光阑等高，且所述的第二聚焦透镜的焦点和第一聚焦透镜的焦点重合，由所述的第二探测器探测第一透射光的能量(功率)PD2基，并传输至计算机；
③构建第二反射光路并探测其能量：
在所述的第一聚焦透镜和第二小孔光阑之间、第一聚焦透镜的焦点处放置待测样品，经该待测样品反射的反射光经第一分光平片50反射后，由第二分光平片53分为第二反射光和第二透射光两束光；将光束质量分析仪替换待测样品，测量样品位置处的光斑面积；
重新放置样品后，沿所述的第二反射光的传输方向，放置第五聚焦透镜56与光束质量分析仪，且调整二者间距，使所述光束质量分析仪当前光斑面积与样品位置处的光斑面积相同；
④构建第二透射光路并探测其能量：
沿所述第二透射光的传输光路方向设置第四聚焦透镜54和第三探测器55，由所述的第三探测器探测第二透射光的能量(功率)PD3基，并传输至计算机；
⑤构建散射光路并探测其能量：
在待测样品预放置位置的侧面，设置第六聚焦透镜71和第四探测器72，由所述的第四探测器探测散射光的能量(功率)PD4基，并传输至计算机；
样品测量阶段：
⑥将待测样品放置在样品架上，调节待测样品使其表面与主光路垂直，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器将探测到的能量(功率)信号输入到所述计算机中，分别记为PD1样、PD2样、PD3样、PD4样，所述光束质量分析仪探测到的当前光斑面积输入到所述计算机中，记为A；
⑦计算待测样品的透过率T、反射率R和散射率S，公式如下：
Figure FDA0003824794590000021
和
Figure FDA0003824794590000022
⑧以测试时间为横坐标，透过率T、反射率R、散射率S和光斑面积A为纵坐标，分别绘制待测样品的透过率曲线、反射率曲线、散射率曲线和光斑面积曲线。
2.实施权利要求1所述的测量材料防护阈值的方法的装置，其特征在于，包括激光器、沿所述脉冲激光器的输出光束方向依次设置的第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一小孔光阑和第一分光平片；
所述的第一分光平片，将入射光分为第一反射光和第一透射光两束光；
所述的第一反射光经第三聚焦透镜聚焦后，由所述的第一探测器、第一聚焦透镜、待测样品、第二小孔光阑、第二聚焦透镜和第二探测器；沿所述第一分光平片的反射光方向依次设置有第三聚焦透镜和第一探测器，沿所述第一分光平片的反射方向的另一侧设置有第二分光平片、第四透镜和第三探测器；沿所述第二分光平片的反射方向设置有第五透镜和光束质量分析仪；沿所述样品的侧面设置有第六透镜和第四探测器；所述待测样品设置在五维精密平移台上；还包括与所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器分别电连接的计算机；所述光束质量分析仪与所述计算机电连接。
3.根据权利要求2所述测量材料防护阈值的装置，其特征在于，所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器可以扩展为第一能量计/功率计、第二能量计/功率计、第三能量计/功率计和第四能量计/功率计。
4.根据权利要求2所述测量材料防护阈值的装置，其特征在于，所述所述第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一分光平片、第二分光平片与光轴夹角均为45°。
5.根据权利要求2所述测量材料防护阈值的装置，其特征在于，所述第一分光平片对所述经过第一小孔光阑后激光的透反比为9∶1，所述第二分光平片对所述经过待测样品反射回来的光被第一分光平片反射后激光的透反比为9∶1。
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