CN115728310B - 一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法，所述方法包括：用图像采集方法在线获取损伤前后材料表面图像并通过图像处理得到损伤前后差异信息的方法以识别表面的损伤点阵列；在上述识别的点阵列中间区域选取需要观测的全部点数N,N与测试工艺参数之间应满足(I/vXf>2N,且N＞10)；用二值法识别N中的损伤点数(N')并进行损伤概率(m_i＝N/NX100％,其中点阵列组别i＝1、2...n)分析，通过判别m；是否为0来确保实验的准确性，若m_n+1＝0则认定m对应的激光能量密度为材料的超快激光损伤阈值，并同时输出横轴为激光能量密度，纵轴为损伤概率点的分布图。

Description

一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法，涉及检测技术、激光加工技术、尤其涉及材料的激光损伤测试方法。

背景技术

近年来，强激光对光学元件的破坏制约着激光向高功率、高能量发展，也是影响光学元件稳定性、可靠性和使用寿命的重要因素。但是在超快激光系统中由于超快激光的超短脉冲和光斑小的特性，对材料的破坏频繁发生；传统的离线分析手是通过肉眼对损伤点的选取，其测试的损伤阈值有一定的误差；超快激光对材料表面的损伤成为人们所关注的热点，而准确、高效地测试材料损伤阈值是激光材料抗损伤能力的先决条件。

光学元件的抗激光损伤能力由其自身基片材料特性和膜层性质决定，而激光损伤阈值是衡量光学元件抗激光损伤能力的重要技术指标。损伤阈值的测试主要目前最多使用的有R-on-1和1-on-1两

种方式。其中R-on-1损伤测试方式是指对于被测样品上的同一点，用递增的激光能量重复照射样品，直到产生损伤为止。测试时要求初始激光能量远小于样品的损伤阈值，记录下造成样品损伤的脉冲激光能量，即认为是该点的损伤阈值。测出同一样品上多个点的损伤阈值，求出平均值即为被测样品的损伤阈值。该种方法由于要对样品同一点上进行多次激光照射，因此存在激光预处理效应，所以很难测到样品的准确损伤阈值。

目前对材料损伤阈值测试的方法主要有相衬显微法(主要针对薄膜材料)、散射光强检测法等，各种方法各有优劣。

相衬显微法是国际标准ISO11254所推荐的一种测试方法，其采用放大倍率为100-150倍的Normaski显微镜对激光扫描后的薄膜样片进行观测，以判别薄膜是否发生损伤，但是这种方法的主观性很强，由于个体差异，不同的测试者可能得到不同的判别结果，从而导致薄膜激光损伤阈值最终结果有偏差，而且这种方法工作强度大，测试效率低，难以实现整机系统的自动化。

散射光强检测法是当激光以一定的角度斜入射在样品上时，如果表面的反射点处无疵点，则反射光将按几何光学给出的规律反射，当表面的反射点处不光滑，或被激光照射后产生损伤，则主光线中相当部分能量不能定向，而要产生散射，对应光电接收器就有电信号输出，通过探测光电接收器有无电信号输出，实际上是探测激光辐射前后电信号的变化就可判断激光照射点是否被损伤，此方法消除了人为因素的干扰，但这种方法对于样片表面光洁度不高，表面反射率较低的情况下，判别存在较大的误差。

所以，目前在损伤阈值的测试中，所用激光主要是长脉冲激光，测试方法主要是通过显微镜等，对损伤图像进行人眼观察，主观性太强，会使损伤阈值的测试出现偏差或误测。而对于基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法，未有很好的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法。基于超快激光对材料以点扫描方式的损伤测试过程中，采用图像采集的方法在线获取材料表面图像，通过图像处理识别材料表面上的损伤点阵列，采用图像识别方法判别点阵列的行间距是否为材料损伤测试时移动的扫描间距d，同时减小激光能量对样品进行扫描，在点阵列中间区域选取需要观测的的全部点数N，判别损伤点数并测试损伤概率，判别损伤概率为0，最后输出损伤阈值测试结果。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法，其方法包括五个部分，分别是损伤点识别、损伤点选取、损伤距离判别、损伤概率计算、损伤阈值结果和损伤概率图的输出。整个装置采用激光器，快门和滤光片来调整光路，CCD用于监测加工过程和图片处理过程的监测，聚焦物镜用来聚焦光斑，二维移动平台来移动样品。

在超快激光使用较大功率对材料以点扫描方式的损伤测试过程中，采用图像采集的方法在线获取超快激光损伤前后的材料表面图像，通过图像处理得到损伤前后差异信息的方法以识别材料表面上的超快激光损伤点阵列。

所述的超快激光是指具有极高的峰值功率和极短的激光脉冲(10^-15秒)。

所述的逐行扫描是指利用图1的方法对材料表面用超快激光进行逐行扫描。

所述的图像采集包含CCD摄像法采集图像、显微镜采集图像等。

所述的图像处理包含散斑干涉法、全息滤波法、干涉滤波法和光栅编码法等，这些方法均是基于在系统的频谱面上放置一个适当滤波器，以分离出图像差异部分的频谱项，因此在应用中需要针对不同的情况进行滤波器的调整。

采用图像识别方法判别逐行扫描所获得点阵列的行间距是否为材料损伤测试时移动的扫描间距d，同时减小激光能量对样品进行扫描。

所述扫描间距是指超快激光逐行扫描材料表面的过程中人为设置样品移动的距离。

在上述识别的点阵列中间区域选取需要观测的的全部点数N，N与测试工艺参数之间应满足以下公式，其中l为激光扫描长度，v激光为扫描速度，f激光为扫描频率。

所述的测试工艺参数包含超快激光的能量密度、扫描频率，位移平台的移动速度、移动步长以及移动间距。

采用二值化方法识别上述需观测的全部点数(N)中的损伤点数(N’)，进行损伤概率的计算，损伤概率测试应遵循以下公式，判别损伤概率是否为0，若m_i≠0继续移动样品，对下一组损伤点阵列进行上述损伤概率的分析，直至m_n＝0。其中损伤组别i＝1,2,...n.

所述的二值化方法是指是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果，并将两种二值化的处理结果进行融合，得到二值化后的损伤后融合图像；

对第n+1组点阵列进行损伤确认，若m_n+1≠0，需返回上一步骤继续进行损伤测试，若m_n+1＝0则认定m_n对应的激光能量密度为材料的超快激光损伤阈值，输出损伤阈值采用MATLAB程序语言。并同时输出横轴为能量密度，纵轴为损伤概率的损伤概率图。

优选的，所述图像差异信息是指超快激光扫描点阵列的信息，点阵列反映了损伤测试过程中材料表面的形貌改变，同时点阵列的准确识别也直接影响续损伤概率的计算，进而影响损伤阈值的准确性。

优选的，对超快激光扫描点阵列进行了在线分析，实时获取逐行扫描时超快激光对材料表面的损伤概率。

优选的，损伤点的选取过程中，建立了测试工艺参数与损伤点数N之间的关系，考虑到平台移动与激光脉冲之间的匹配关系，损伤点的位置应在扫描点阵列中间位置选取。

优选的，通过在扫描点阵列选取的全部点数N中判别损伤点N’，并计算损伤概率m，提出一种基于点阵列在线分析的损伤概率计算方法。

优选的，对损伤概率的计算直至m_n＝0时，再对m_n+1＝0进行损伤确认，获得的材料损伤阈值更准确可靠

优选的，所述方法中至少包括激光器、滤光片，CCD，聚焦物镜，样品以及阈值分析测试模块。

附图说明

图1为本发明的测试装置图。

图2为本发明测试模块示意图。

图3为本发明测试流程示意图。

1-飞秒激光器，2-开关挡板，3-滤光片，4-第一CCD，5-计算机，6-移动平台，7-测试样品，8-聚焦物镜，9-半透半反镜，10-第二CCD，11-损伤在线分析与阈值测试模块。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提出了一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法，包括以下步骤：

激光器1输出脉冲激光经过快门2和滤光片3后通过反射镜9进入聚焦物镜8后作用于样品7，在样品7上进行超快激光扫描，CCD4用来监测焦点位置以及整个扫描过程，由于是脉冲激光，控制扫描速度后就在样品上得到了两端重叠，中间分散的点阵列。CCD10采集图像信息，进行点阵列的识别，传送到显示器5，加载损伤前图像(F₀)和损伤后图像(F₁)并将两幅图像都转化为损伤前灰度图像和损伤后灰度图像。

图像处理方法采用图像相减法，即在两幅图像之间对应像素做减法运算损伤图像相减计算公式如下：

g(x,y)＝F₁(x,y)-F₀(x,y)

选取样品7表面损伤点的数量，由于移动平台和激光器出光之间有一定的时间延迟，所以应选取加工样品中间部分的点数进行损伤观测选取点数量应满足以下公式，其中l为激光加工长度，v激光为加工速度，f激光为加工频率。

对于处理后的两幅灰度图像做减法处理，即F₁-F₀得出两幅图像的差异信息，分离出图像差异部分的频谱。

处理完一组损伤图片后继续将样品移动距离d，检查是否到达第二次激光加工的位置，同时进行第二组损伤图像的处理，记录移动的损伤点阵列组别i，激光功移动组别逐渐变大，激光能量密度逐渐减小。

直到下移次数i＝n时，图像处理应为损伤图像F_n-F₀，同时监测损伤概率，损伤概率满足以下公式,其中N’为损伤点的数量，N为选取点的全部数量，m为损伤概率。

判断m是否为0，如果m＝0那么损伤概率为0，此时的激光能量密度为材料的阈值。若m≠0，那么应该继续下移损伤图像距离d，继续做图像减法，直至损伤概率m＝0后时，为确保数据的可靠性，继续将处理后的损伤图像下移距离d，再次验证损伤概率是否为0。

对第n+1组点阵列进行损伤确认，若m_n+1≠0，需返回上一步骤继续进行损伤测试，若m_n+1＝0则认定m_n对应的激光能量密度为材料的超快激光损伤阈值，并同时输出横轴为能量密度，纵轴为损伤概率的损伤概率图数据输出模块11输出损伤阈值具体数值以及输出概率损伤图。输出方式采用matlab进行图像的输出。

本发明实施例提供的一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法，采用图像识别技术对损伤点阵列进行采集和处理，通过损伤点阵列的识别，损伤点阵列位置的判断，逐步进行损伤概率计算，最后进入阈值测试模块，实现激光扫描与阈值输出同步进行，使阈值计算的流程大大简化，省去了应人为因素造成的损伤阈值的计算有偏差等因素。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于点阵列在线分析的超快激光材料损伤测试方法，其特征在于，所述方法包括：

在使用能量密大于10J/CM²的超快激光对材料以点扫描方式的损伤测试过程中，采用图像采集的方法在线获取超快激光损伤前后的材料表面图像，通过图像处理得到损伤前后差异信息的方法以识别材料表面上的超快激光损伤点阵列；

所述的超快激光是指具有＞10⁶W的峰值功率和＜10^-11秒的激光脉冲；

所述的图像处理包含散斑干涉法、全息滤波法、干涉滤波法或光栅编码法，这些方法均是基于在系统的频谱面上放置滤波器，以分离出图像差异部分的频谱项；

采用图像识别方法判别逐行扫描所获得点阵列的行间距是否为材料损伤测试时移动的扫描间距d，同时减小激光能量对样品进行扫描，若不是需返回上步重新扫描；所述扫描间距是指超快激光逐行扫描材料表面的过程中设置的样品移动距离；

在上述识别的点阵列中间区域选取需要观测的全部点数N，N与测试工艺参数之间应满足l/v×f＞2N,且N＞10；其中I为激光扫描长度，v激光为扫描速度，f激光为扫描频率；

测试工艺参数包含超快激光的能量密度、频率，位移平台的移动速度和移动间距；

采用图像识别方法判别上述需观测的全部点数N中的损伤点数N’，进行损伤概率m_i的测试并判别损伤概率是否为0，m_i＝N’/N×100％，其中点阵列组别i＝1、2...n，若m_i≠0继续移动样品，对下一组损伤点阵列进行上述损伤概率的分析，直至m_n＝0；

所述的图像识别方法包含将图像上的像素点进行灰度值处理过程的二值化方法；对第n+1组点阵列进行损伤确认，若m_n+1≠0，需返回上一步骤继续进行损伤测试，若m_n+1＝0则认定m_n对应的激光能量密度为材料的超快激光损伤阈值，并同时输出横轴为能量密度，纵轴为损伤概率的损伤概率图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的图像差异信息是指点超快激光扫描点阵列的信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对超快激光扫描点阵列进行了在线分析，实时获取逐行扫描时超快激光对材料表面的损伤概率。