CN116379974B - 一种多波长光源检测光学元件表面特性装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波长光源检测光学元件表面特性装置及方法，包括多波长光源模块、高精度运动平台、安装在高精度运动平台上的用于夹持待测光学元件的样品台、散射探测模块、与散射探测模块连接的数据分析处理模块以及用于控制高精度运动平台运动的控制模块；多波长光源模块由多台激光器和对应的多台光功率计组成；光功率计用于实时检测激光器的出射功率，激光器出射的激光光线透射经过分光镜后，再通过对应的二向色镜后同轴照射在待测光学元件表面形成散射光，散射光经散射探测模块收集并通过数据分析处理模块进行分析。利用本发明，可实现光学元件表面散射信号检测，建立与光学元件表面粗糙度检测、损伤阈值的关系。

Description

一种多波长光源检测光学元件表面特性装置及方法
技术领域
本发明属于光学元件检测技术领域，尤其是涉及一种多波长光源检测光学元件表面特性装置及方法。
背景技术
在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)系统研究中，为实现聚变点火这一目标，世界各个大国都在进行高功率激光装置的设计和建造，而其中就需要更大口径、更大激光损伤阈值的大量的高精度光学元件，高功率激光装置中的光学元件可以根据其所负载的激光波长进行分类，例如基频光学元件和三倍频紫外光学元件，前者只要是对基频激光的传输和放大；后者用于紫外波段。这些光学元件的损伤阈值由多方面影响，可以采用高能激光系统中使用激光相同波长的激光照射光学元件表面，全口径扫描并收集散射光，得到表面散射分布，分别与损伤阈值、表面粗糙度建立关系。
对光学元件表面分布的检测是一项重大挑战，针对该问题，本领域技术人员提出了一些解决方法。如公开号为CN111707221A的专利公开了一种多曝光散射信号融合的表面粗糙度测量方法，该系统利用CCD接收激光入射光学元件表面的反射光和散射光，对同一位置采集不同曝光时间的图像，通过融合算法对这些图像进行处理，得到样品的粗糙度值。探测器采用CCD，与光电探测器相比，灵敏度低，无法检测出微小缺陷的影响。公开号为CN110500971A的专利公布了粗糙度测量探针，具有粗糙度测量探针的装置以及相对应的使用，其测量探针为共焦传感器装置，视场较小，检测过程往往需要花费非常多的时间。公开号为CN108088359A的专利公布了便携式轮廓仪及轮廓扫描显微镜和系统，采用压电陶瓷和探针组合的方式，接触式对检测目标进行扫描，但接触式很大可能会对样品进行二次破坏。
因此，需要设计非接触式、高灵敏度、高效的装置与方法，实现对光学元件表面粗糙度检测和损伤阈值评估。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种多波长光源检测光学元件表面特性装置及方法，可以实现光学元件表面散射信号检测，建立与光学元件表面粗糙度检测、损伤阈值的关系。
一种多波长光源检测光学元件表面特性装置，包括多波长光源模块、高精度运动平台、安装在高精度运动平台上的用于夹持待测光学元件的样品台、散射探测模块、与散射探测模块连接的数据分析处理模块以及用于控制高精度运动平台运动的控制模块；
所述的多波长光源模块由多台激光器和对应的多台光功率计组成；所述的光功率计用于实时检测激光器的出射功率，所述激光器出射的激光光线透射经过分光镜后，再通过对应的二向色镜后同轴照射在待测光学元件表面形成散射光，散射光经散射探测模块收集并通过数据分析处理模块进行分析。
进一步地，所述的高精度运动平台包括三维位移台以及固定在三维位移台上的旋转台，所述的样品台固定在旋转台上。
进一步地，所述的旋转台用于带动样品台旋转，改变激光光线的入射角，其中，激光光线的入射角，是光学元件表面法线与入射激光方向的夹角；
三维位移台的X、Y轴在旋转台旋转角度为0°时与待测光学元件表面法线相互垂直，可承载旋转台进行二维平移；Z轴在旋转台旋转角度为0°时与待测光学元件表面法线平行，可承载旋转台轴向平移。
进一步地，所述散射探测模块由多个大数值孔径的镜筒和对应的多个光电探测器搭配组成；所述的镜筒用于收集散射光，多个光电探测器用于分别检测不同激光波长的散射信号。
一种检测光学元件表面特性的方法，使用上述多波长光源检测光学元件表面特性装置，包括如下步骤：
(1)采用垂直放置姿态，将光学元件通过夹持工具固定在样品台上；
(2)设定激光光线的入射角和扫描范围；
(3)调节高精度运动平台的旋转角度和X，Y，Z三轴位置，使扫描起始采样点位于镜筒的焦点；
(4)控制模块控制高精度运动平台对光学元件进行扫描，散射探测模块检测各采样点的散射信号；
(5)对获得的散射信号进行处理，得到光学元件表面散射分布，并通过定标和拟合手段转换为样品表面粗糙度和损伤阈值。
步骤(4)中，扫描过程包含运动补偿，让采样点距离散射探测模块距离相同，使任意采样点均位于镜筒焦点，具体步骤为：获取扫描步距L和激光入射角θ；计算X-Z平面上的移动距离，X轴运动dx，Z轴运动dz；dx和dz的计算方法如下：
dz＝L·sinθ
dx＝L·cosθ
步骤(5)中，样品表面粗糙度由全积分散射检测理论求解，将一个光电探测器置于样品之后，用于接收透射光；接收透射光信号积分散射TIS定义为散射光功率与反射光功率之比，与均方根粗糙度σ的关系如下：
其中，λ为入射光波长；θ为激光入射角；TIS根据其定义采用散射探测模块接收的信号进行求解，计算公式如下式：
其中，Ps为散射光功率；Pr为反射光功率；po为多波长光源模块中光功率计接收的光功率；pd为散射探测模块接收的光功率；pt为样品后的光电探测器接收到的光功率；pa为样品的吸收光功率，通过样品材质的吸光系数和厚度进行计算；再与实际粗糙度定标获得定标系数C；结合上述两式得均方根粗糙度：
样品损伤阈值计算公式如下：
T＝Kntn+Kn-1tn-1+…+K2t2+K1t+K0
其中，T为样品损伤阈值，K1～n，K为定标拟合系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为光学元件表面特性检测提供了一种新的装置和方法，依托于光学检测系统和高精度运动平台，实现非接触式、快速扫描探测；采用散射探测模块收集各采样点的散射信号，实现散射信号高灵敏度检测；使用特定波长的光源对光学元件进行照射，散射信号反映光学元件表面关于入射波长的特性，包含表面粗糙度和损伤阈值两种信息。
附图说明
图1为本发明实施例一种多波长光源检测光学元件表面特性装置的示意图；
图2为本发明中光学元件扫描过程运动补偿示意图；
图3为本发明一种检测光学元件表面特性的方法流程图；
图4为本发明实施例中石英光学元件表面散射分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种多波长光源检测光学元件表面特性装置，包括多波长光源模块、高精度运动平台、安装在高精度运动平台上的用于夹持待测光学元件的样品台、散射探测模块、与散射探测模块连接的数据分析处理模块以及用于控制高精度运动平台运动的控制模块。
本发明实施例中，多波长光源模块以双波长为例，由激光器1、激光器2和对应光功率计3、光功率计4组成；光功率计用于实时检测激光器的出射功率。散射探测模块由多个大数值孔径的镜筒和对应的多个光电探测器搭配组成；镜筒用于收集散射光，多个光电探测器用于分别检测不同激光波长的散射信号。光学元件13是一块长90mm、宽90mm、厚度为10mm的平面光学元件，采用垂直放置姿态固定在样品台上。
激光器1和激光器2分别经过分光镜5和分光镜6后，由光功率计3和光功率计4接收分出的光束，实时监测激光器1和激光器2的输出光功率。二向色镜7和二向色镜8将剩余两束光同轴照射在待测的光学元件13表面后形成散射光。散射光经大数值孔径镜筒11、镜筒12收集并通过光电探测器9和光电探测器10接收不同波长的散射信号。多波长光源检测时，镜筒与光电探测器可在弧形虚线放置对应数量。
三维位移台的X、Y轴在旋转台旋转角度为0°时与光学元件13的光轴相互垂直，可承载旋转台进行二维平移；Z轴在旋转台旋转角度为0°时与光学元件13的光轴平行，可承载旋转台轴向平移；旋转台的旋转轴与Y轴平行，可承载样品台旋转；原点O位于扫描起始采样点。
依托于高精度运动平台可以实现光学元件全口径扫描探测，如图2，扫面过程中的运动补偿原理如下：获取扫描步距L和旋转台旋转角θ，光学元件13从虚线位置运动一个步距到实线位置需要先往X轴负方向运动dx距离，再往Z轴负方向运动dz距离。实现采样点与镜筒之间距离不变，使扫描过程中任意采样点均位于镜筒焦点。其中dx和dz的计算方法如下：
dz＝L·sinθ
dx＝L·cosθ
如图3所示，多波长光源检测光学元件表面特性装置的检测流程如下：
S01、采用垂直固定姿态，将光学元件13通过夹持工具固定在样品台上；
S02、设定激光入射角和扫描范围；
S03、调节高精度运动平台的旋转角度和X，Y，Z三轴位置，使扫描起始采样点位于镜筒11、镜筒12的焦点；
S04、控制模块控制高精度运动平台对光学元件进行扫描，光电探测器9和光电探测器10探测镜筒11、镜筒12收集各采样点的散射信号；
S05、对获得的散射信号进行处理，得到光学元件表面散射分布；并通过定标和拟合手段转换为样品表面粗糙度和损伤阈值。
如图4所示，结果为不同石英光学元件的表面散射分布，图中，(a)为激光器1照射的散射分布；(b)为激光器2照射的散射分布。根据不同角度的散射分布可以建立与表面粗糙度、损伤阈值之间的关系。
表面粗糙度可由全积分散射检测理论求解，将一个光电探测器置于样品之后，用于接收透射光。积分散射(TIS)定义为散射光功率与反射光功率之比，与均方根粗糙度σ的关系如下：
其中，λ为入射光波长；θ为激光光源的入射角。TIS可根据其定义采用散射探测模块接收的信号进行求解，计算公式如下式：
其中，Ps为散射光功率；Pr为反射光功率；po为多波长光源模块中光功率计接收的光功率；pd为散射探测模块接收的光功率；pt为样品后的光电探测器接收到的光功率；pa为样品的吸收光功率，可以通过样品材质的吸光系数和厚度进行计算；再与实际粗糙度定标获得定标系数C。结合上述两式可得均方根粗糙度：
光学元件表面散射分布通过定标和拟合等手段获取样品损伤阈值T：
T＝Kntn+Kn-1tn-1+…+K2t2+K1t+K0
其中，K1～n，K为定标拟合系数。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多波长光源检测光学元件表面特性装置，其特征在于，包括多波长光源模块、高精度运动平台、安装在高精度运动平台上的用于夹持待测光学元件的样品台、散射探测模块、与散射探测模块连接的数据分析处理模块以及用于控制高精度运动平台运动的控制模块；
所述的多波长光源模块由多台激光器和对应的多台光功率计组成；所述的光功率计用于实时检测激光器的出射功率，所述激光器出射的激光光线透射经过分光镜后，再通过对应的二向色镜后同轴照射在待测光学元件表面形成散射光，散射光经散射探测模块收集并通过数据分析处理模块进行分析；
所述散射探测模块由多个镜筒和对应的多个光电探测器搭配组成；所述的镜筒用于收集散射光，多个光电探测器用于分别检测不同激光波长的散射信号；控制模块控制高精度运动平台对光学元件进行扫描过程中，使任意采样点均位于镜筒焦点。
2.根据权利要求1所述的多波长光源检测光学元件表面特性装置，其特征在于，所述的高精度运动平台包括三维位移台以及固定在三维位移台上的旋转台，所述的样品台固定在旋转台上。
3.根据权利要求2所述的多波长光源检测光学元件表面特性装置，其特征在于，所述的旋转台用于带动样品台旋转，改变激光光线的入射角，其中，激光光线的入射角，是光学元件表面法线与入射激光方向的夹角；
三维位移台的X、Y轴在旋转台旋转角度为0°时与待测光学元件表面法线相互垂直，可承载旋转台进行二维平移；Z轴在旋转台旋转角度为0°时与待测光学元件表面法线平行，可承载旋转台轴向平移。
4.一种检测光学元件表面特性的方法，其特征在于，使用权利要求1～3任一所述的多波长光源检测光学元件表面特性装置，包括如下步骤：
(1)采用垂直放置姿态，将光学元件通过夹持工具固定在样品台上；
(2)设定激光光线的入射角和扫描范围；
(3)调节高精度运动平台的旋转角度和X，Y，Z三轴位置，使扫描起始采样点位于镜筒的焦点；
(4)控制模块控制高精度运动平台对光学元件进行扫描，散射探测模块检测各采样点的散射信号；
(5)对获得的散射信号进行处理，得到光学元件表面散射分布，并通过定标和拟合手段转换为样品表面粗糙度和损伤阈值；
样品表面粗糙度由全积分散射检测理论求解，将一个光电探测器置于样品之后，用于接收透射光；接收透射光信号积分散射TIS定义为散射光功率与反射光功率之比，与均方根粗糙度σ的关系如下：
其中，λ为入射光波长；θ为激光入射角；TIS根据其定义采用散射探测模块接收的信号进行求解，计算公式如下式：
其中，Ps为散射光功率；Pr为反射光功率；po为多波长光源模块中光功率计接收的光功率；pd为散射探测模块接收的光功率；pt为样品后的光电探测器接收到的光功率；pa为样品的吸收光功率，通过样品材质的吸光系数和厚度进行计算；再与实际粗糙度定标获得定标系数C；结合上述两式得均方根粗糙度：
样品损伤阈值计算公式如下：
T＝Kntn+Kn-1tn-1+…+K2t2+K1t+K0
其中，T为样品损伤阈值，K1～n，K为定标拟合系数。
5.根据权利要求4所述的检测光学元件表面特性的方法，其特征在于，步骤(4)中，扫描过程包含运动补偿，让采样点距离散射探测模块距离相同，使任意采样点均位于镜筒焦点，具体步骤为：获取扫描步距L和激光入射角θ；计算X-Z平面上的移动距离，X轴运动dx，Z轴运动dz；dx和dz的计算方法如下：
dz＝L·sinθ
dx＝L·cosθ。
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