CN116481769B - 一种球面元件激光损伤阈值测试方法及其装置 - Google Patents

一种球面元件激光损伤阈值测试方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种球面元件激光损伤阈值测试方法及其装置。解决了对球面元件激光损伤阈值无法测量的技术问题。本发明将球面元件放置在该机构中通过上述的复合运动,首先是元件的平移运动,作用是让球面元件球心和机构的运动轴心重合,再通过俯仰机构和旋转机构进行后续俯仰和旋转运动;使激光能垂直入射到球面元件的表面进行辐照。从而在球面元件表面完成足够数量的损伤点,最终通过计算得到球面元件的激光损伤阈值。本发明装置结构科学合理,结合球面元件面型特点,使激光可垂直入射到球面元件表面,通过俯仰机构和旋转机构控制球面元件完成球面元件激光损伤阈值的测试,为球面元件抗激光损伤能力的提高奠定了技术基础。

Description

一种球面元件激光损伤阈值测试方法及其装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域,具体涉及一种球面元件激光损伤阈值测试方法及其装置,主要涉及激光损伤阈值的测试,其适用于球面元件激光损伤阈值测试的各种场合。
技术背景
随着高功率和高能量激光在工业、国家军事甚至是航天等领域的应用越来越广泛,光学元件也面临着越来越多的激光损伤问题,激光损伤会影响整个激光光学系统的工作性能,它的阈值是光学元件抗激光损伤的重要指标,如何精准测量激光损伤阈值,对相关学术研究以及激光应用的发展具有十分重大的意义。
光学元件按外形特点,分为平面、球面、非球面和自由曲面等。球面元件作为其中的一大分支,其应用也是极其广泛,如高品质的照相机、变焦镜头、摄像机取景器、投影仪镜头、红外光角地平仪、高功率激光、空间望远镜、武器系统的瞄准镜、夜视镜、潜望镜等都离不开高质量的球面元件作为光束传输的载体。
目前对激光损伤阈值测试的研究主要是采用调制激光器、激光能量衰减器以及平面二维样品测试平台的方式,并且测试元件都是平面光学元件;因为平面光学元件的结构简单,所以在测试过程中对于元件的移动过程容易实现。但是,因为球面元件的面型比较特殊,要让球面元件在测试过程中激光光束能够垂直入射元件,原有的平面二维测试平台就不能满足此要求,无法对球面元件激光损伤阈值准确测量,因此目前对于球面元件的激光损伤阈值测试还无法实现,这也是目前球面元件强光场下的抗损伤能力的研究以及其对损伤阈值大小的影响研究不充分的重要原因。
因此,研制一台球面元件激光损伤阈值测试系统显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此,本发明为解决球面元件激光损伤阈值无法准确测量的问题,提供了一种球面元件激光损伤阈值测试方法及其装置。
为解决上述问题,本发明采用的技术方案为:一种球面元件激光损伤阈值测试方法,其特征在于,激光器发射激光光束经过扩束准直系统、能量衰减系统,通过分束镜后分为两束激光,用能量计对其中一束进行数据采集,采集数据传输回计算机;另一束通过会聚透镜聚焦于测试装置的球面元件表面,激光在球面元件表面完成损伤以后,通过测试装置的俯仰机构和旋转机构完成球面元件的俯仰和旋转运动,依次更新球面元件受激光损伤的位置,通过损伤探测系统进行观察,实时采集经过辐照后的被测球面元件表面的损伤形貌,同时通过损伤形貌判断球面元件辐照点损伤情况,从而完成激光损伤阈值测试。
具体步骤为:
步骤1、将被测球面元件放置于测试装置的夹持器中,将夹持器插入夹持器插座内;
步骤2、打开激光器,发射激光光束;
步骤3、利用水平移动机构使底座靠近激光光源方向移动,移动距离为球面元件的曲率半径,让球面元件通过移动使激光在球面元件表面均匀生成激光损伤坑;
步骤4、激光通过扩束准直系统、能量衰减系统,通过分束镜后分为两束激光,用能量计对其中一束进行数据采集,采集数据传输回计算机;另一束通过会聚透镜聚焦于测试装置的球面元件表面;
步骤5、通过测试装置的俯仰机构和旋转机构完成球面元件的俯仰运动和旋转运动,计算俯仰机构和旋转机构转动的角度,以确定电机通信所需脉冲数,从而实现球面元件激光损伤阈值测试;
所述步骤5的具体方法为:
根据其已知球面元件曲率半径R和通光口径D计算得到损伤坑中每移动一次的转动角度β,首先通过水平移动机构将元件移动到使球面元件球心和机构旋转中心重合位置,即曲率半径长度距离;再通过俯仰机构和旋转机构让球面元件转动目标角度;以确定电机通信所需脉冲数;
运动一次的角度的计算过程为:
α=10β (2)
由(1)(2)式得到:
其中,D为通光口径;R为球面元件的曲率半径;α为总的运动角度;β为运动一次的角度;
步骤6、损伤点数量完成后,关闭激光器,取下被测球面元件。
一种球面元件激光损伤阈值测试方法所采用的装置,包括“几”型的底座和其上设置的俯仰机构承载台,底座内设置有第一伺服电机,通过第一伺服电机实现俯仰机构承载台的旋转,所述的俯仰机构承载台内设置有水平移动机构承载台,水平移动机构承载台内设置有直线导轨,直线导轨上设置有滑台,滑台上固设有夹持器插座,夹持器插座内设置有夹持器,通过直线导轨和滑台实现夹持器的水平移动,所述的水平移动机构承载台通过第二伺服电机控制实现其俯仰翻转。
进一步,俯仰机构承载台为“U”型,第二伺服电机设置于俯仰机构承载台的一侧。
与现有技术相比,本发明具有的特点是:
1)本发明旋转机构上安装了俯仰机构,俯仰机构上安装水平移动机构,水平移动机构上安装夹持器插座便于插拔夹持器,能够实现对球面元件在多个维度上进行调节,整个机构满足了球面元件激光损伤阈值测试的需求。
2)本发明球面元件激光损伤阈值测试装置不仅可以实现球面元件的各维度的旋转,还可以用于非球面和自由曲面元件的旋转,使用性广。
3)本发明可用于球面元件激光损伤阈值测试装置结构科学合理,使用多维复合机构协同完成球面元件激光损伤阈值测试任务。
4)本发明方法通过激光作为入射光,辐照夹持在机构上球面光学元件表面,在整个测试系统中本发明完成球面元件所要求的运动,最终实现球面元件激光损伤阈值的测量。
附图说明
图1是本发明实现激光损伤阈值测试流程框图;
图2是本发明的用于球面元件激光损伤阈值测试装置结构轴侧图;
图3是本发明的用于球面元件激光损伤阈值测试装置结构正视图;
标记说明:1、夹持器;2、夹持器插座;3、滑台;4、直线导轨;5、水平移动机构;6、俯仰机构承载台;7、底座;8、第一伺服电机;9、旋转机构;10、水平移动机构承载台;11、第二伺服电机;12、俯仰机构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
工作原理:球面元件面型通过俯仰机构和旋转机构控制元件进行俯仰和旋转运动,并且需要在俯仰和旋转运动前,首先将球面元件移动到球心和机构运动轴心重合的位置,所以增加了水平移动机构。整个机构是通过复合运动完成球面元件的激光损伤阈值测试的。
一种球面元件激光损伤阈值测试装置,如图2和3所示,包括水平移动机构5、旋转机构9和俯仰机构12。
水平移动机构5包括直线导轨4和滑台3。
旋转机构包括俯仰机构承载台6、U型底座7和伺服电机8。
俯仰机构12包括水平移动机构承载台10和伺服电机11。
具体结构如下:
包括“几”型的底座7和其上设置的“U”型的俯仰机构承载台6,俯仰机构承载台6的一侧设置有第二伺服电机11,底座7内设置有第一伺服电机8,通过第一伺服电机8实现俯仰机构承载台6的旋转,所述的俯仰机构承载台6内设置有水平移动机构承载台10,水平移动机构承载台10内设置有直线导轨4,直线导轨4上设置有滑台3,滑台3上固设有夹持器插座2,夹持器插座2内设置有夹持器1,通过直线导轨4和滑台3实现夹持器的水平移动,所述的水平移动机构承载台10通过第二伺服电机11控制实现其俯仰翻转。
一种球面元件激光损伤阈值测试方法如图1所示:
激光器发射激光光束经过扩束准直系统、能量衰减系统,通过分束镜后分为两束激光,用能量计对其中一束进行数据采集,以达到对出射激光光束的脉冲能量实时监控,采集数据传输回计算机;另一束通过会聚透镜聚焦于测试装置的球面元件表面,激光在球面元件表面完成损伤以后,通过测试装置的俯仰机构和旋转机构完成球面元件的俯仰和旋转运动,依次更新球面元件受激光损伤的位置,在被测薄膜样片上方放置一个CCD相机作为损伤探测系统进行观察,实时采集经过辐照后的被测球面元件表面的损伤形貌,同时通过损伤形貌判断球面元件辐照点损伤情况。从而完成激光损伤阈值测试。
具体为:
步骤1、将被测球面元件放置于测试装置的夹持器中,将夹持器插入夹持器插座内;
步骤2、打开激光器,发射激光光束;
步骤3、利用水平移动机构使底座7靠近激光光源方向移动,移动距离为球面元件的曲率半径,以达到球面元件球心和装置旋转机构和俯仰机构的转动轴心重合,让球面元件通过移动使激光在球面元件表面均匀生成激光损伤坑;
步骤4、激光通过扩束准直系统、能量衰减系统,通过分束镜后分为两束激光,用能量计对其中一束进行数据采集,采集数据传输回计算机;另一束通过会聚透镜聚焦于测试装置的球面元件表面,以达到激光可在球面元件表面进行作用的目的;
步骤5、通过测试装置的俯仰机构和旋转机构完成球面元件的俯仰运动和旋转运动,计算俯仰机构和旋转机构转动的角度,以确定电机通信所需脉冲数,从而实现球面元件激光损伤阈值测试;
所述步骤5的具体方法为:
根据其已知球面元件曲率半径R和通光口径D计算得到10*10个损伤坑中每移动一次的转动角度β,首先设置一个预设激光能量值通过水平移动机构(5)将元件移动到使球面元件球心和机构旋转中心重合位置,即曲率半径长度距离;完成一次损伤后再通过俯仰机构(12)让其上的球面元件依次完成目标数量的损伤坑,即剩余九个损伤点;再通过和旋转机构(9)让球面元件转动一次目标角度;每次完成一次转动即使用新的能量去损伤,即转动10次可测10种不同能量下的损伤阈值;而通过电机选型确定一个脉冲下电机可转动角度为0.0027度,最终通过β/0.0027可得电机所需脉冲个数;
运动一次的角度的计算过程为:
α=10β (2)
由(1)(2)式得到:
其中D为通光口径;R为球面元件的曲率半径;α为总的运动角度;β为运动一次的角度;
步骤6、损伤点数量完成后,关闭激光器,取下被测球面元件。
以上所述,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。

Claims (3)

1.一种球面元件激光损伤阈值测试方法,其特征在于,激光器发射激光光束经过扩束准直系统、能量衰减系统,通过分束镜后分为两束激光,用能量计对其中一束进行数据采集,采集数据传输回计算机;另一束通过会聚透镜聚焦于测试装置的球面元件表面,激光在球面元件表面完成损伤以后,通过测试装置的俯仰机构和旋转机构完成球面元件的俯仰和旋转运动,依次更新球面元件受激光损伤的位置,通过损伤探测系统进行观察,实时采集经过辐照后的被测球面元件表面的损伤形貌,同时通过损伤形貌判断球面元件辐照点损伤情况,从而完成激光损伤阈值测试;
具体步骤为:
步骤1、将被测球面元件放置于测试装置的夹持器中,将夹持器插入夹持器插座内;
步骤2、打开激光器,发射激光光束;
步骤3、利用水平移动机构使底座(7)靠近激光光源方向移动,移动距离为球面元件的曲率半径,让球面元件通过移动使激光在球面元件表面均匀生成激光损伤坑;
步骤4、激光通过扩束准直系统、能量衰减系统,通过分束镜后分为两束激光,用能量计对其中一束进行数据采集,采集数据传输回计算机;另一束通过会聚透镜聚焦于测试装置的球面元件表面;
步骤5、通过测试装置的俯仰机构和旋转机构完成球面元件的俯仰运动和旋转运动,计算俯仰机构和旋转机构转动的角度,以确定电机通信所需脉冲数,从而实现球面元件激光损伤阈值测试;
所述步骤5的具体方法为:
根据其已知球面元件曲率半径R和通光口径D计算得到损伤坑中每移动一次的转动角度β,首先通过水平移动机构(5)将元件移动到使球面元件球心和机构旋转中心重合位置,即曲率半径长度距离;再通过俯仰机构(12)和旋转机构(9)让球面元件转动目标角度;以确定电机通信所需脉冲数;
运动一次的角度的计算过程为:
α=10β (2)
由(1)(2)式得到:
其中,D为通光口径;R为球面元件的曲率半径;α为总的运动角度;β为运动一次的角度;
步骤6、损伤点数量完成后,关闭激光器,取下被测球面元件。
2.根据权利要求1所述的一种球面元件激光损伤阈值测试方法所采用的装置,其特征在于:
包括“几”型的底座(7)和其上设置的俯仰机构承载台(6),底座(7)内设置有第一伺服电机(8),通过第一伺服电机(8)实现俯仰机构承载台(6)的旋转,所述的俯仰机构承载台(6)内设置有水平移动机构承载台(10),水平移动机构承载台(10)内设置有直线导轨(4),直线导轨(4)上设置有滑台(3),滑台(3)上固设有夹持器插座(2),夹持器插座(2)内设置有夹持器(1),通过直线导轨(4)和滑台(3)实现夹持器的水平移动,所述的水平移动机构承载台(10)通过第二伺服电机(11)控制实现其俯仰翻转,所述的俯仰机构承载台(6)为“U”型。
3.根据权利要求2所述的一种球面元件激光损伤阈值测试方法所采用的装置,其特征在于:第二伺服电机(11)设置于俯仰机构承载台(6)的一侧。
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