CN116879298A - 一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，包括：激光光源装置、测试光路装置和计算机控制系统；激光光源装置，包括：一Nd：YAG激光器、一能量衰减装置、一倍频晶体组、一波长选择装置、一扩束装置；Nd：YAG激光器连接计算机控制系统，实现不同激光光源脉冲频率输出；能量衰减装置连接计算机控制系统，以控制不同能量的输出；Nd：YAG激光器发出的激光依次经过能量衰减装置、倍频晶体组、波长选择装置、扩束装置进入测试光路装置。本发明的测试光路装置采用指定波长的HR与AR光学膜分光镜组配合技术，三种波长独立出光。指定波长出光后，其余波长的光源出光小于0.001％，有效克服不同波长耦合影响。
Description
技术领域
本发明属于光学元器件的技术领域，具体是指一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统。
背景技术
光学薄膜可以实现特定波长光的高反、增透、偏振、分束等特性，被用于激光器本身以及实现特定功能的激光光路中。但是，光学薄膜的抗激光损伤能力比光学元件本身还低，在强激光的作用下，薄膜很容易损坏，从而导致光学元件乃至整个光学系统无法正常工作，光学薄膜抗激光损伤性能的低下是阻碍其向大能量、高功率方向发展的瓶颈。
为满足不同用户的需求，目前已有不少单位搭建了自己的激光损伤阈值测试平台，不同的用户对激光损伤阈值的具体要求也不同。光学材料与光学薄膜测试要求不同波长。但目前这些单位对样品的测试，一般只有单一激光波长。如果需要测试不同波长的激光损伤阈值，则需要采用两套以上的独立的激光光源来进行，这种结构不仅增加了设备及测试成本，而且效率很低。
目前各单位对薄膜损伤阈值的测量，都是在自己搭建的测试平台上进行的，其结果存在较大的差异，这给不同单位的结果比对造成了很大困惑。实际上，光学薄膜损伤测试时，使用不同的激光波长、不同的光斑尺寸、不同的入射角度、不同的损伤判断标准等。各种测试方式均能得到相应的测试结果，但是由于各研究机构根据不同的测试环境和不同的测试需求，因此需要开发出具有多种测量功能的自动化激光损伤阈值的测试设备。
中国发明专利201810226781.4公开了一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，其三种光路存在三种光耦合在一起共同作用在物体上，会造成不同波长耦合影响，存在三波长共测试光路造成的色散，导致光斑位置以及形态差异，导致激光损伤阈值测试不准的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统。
本发明是这样实现的：
一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，包括：激光光源装置、测试光路装置和计算机控制系统；
所述激光光源装置，包括：一Nd：YAG激光器、一能量衰减装置、一倍频晶体组、一波长选择装置、一扩束装置；
所述Nd：YAG激光器连接所述计算机控制系统，实现不同激光光源脉冲频率输出；
所述能量衰减装置连接所述计算机控制系统，以控制不同能量的输出；
所述Nd：YAG激光器发出的激光依次经过所述能量衰减装置、所述倍频晶体组、所述波长选择装置、所述扩束装置进入所述测试光路装置；
所述波长选择装置，包括：第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜；
所述扩束装置，包括：第一透镜组、第二透镜组、第二透镜组；
所述测试光路装置，包括：第一分光装置、变焦透镜组、第二分光装置、能量计、光束质量分析仪、CCD相机、可旋转样品台；
所述第一分光装置，包括：第一分光片、第二分光片、第三分光片；
所述变焦透镜组，包括：第一变焦透镜组、第二变焦透镜组、第三变焦透镜组；
所述第二分光装置，包括：第四分光片、第五分光片、第六分光片、反射镜、能量衰减器；
所述倍频晶体组，包括：二倍频和三倍频；
当所述倍频晶体组不推入系统时，所述Nd：YAG激光器产生的基频光λ1，其输出方向依次是所述第一分光镜、所述第二分光镜、所述第一透镜组、所述第一分光片、所述第一变焦透镜组、所述第四分光片，最终聚焦在位于所述可旋转样品台上的待测样品；
当所述二倍频推入系统时，输出激光波长λ2，其输出方向依次是所述第一分光镜、所述第二分光镜、所述第三分光镜、所述第二透镜组、所述第二分光片、所述第二变焦透镜组、所述第五分光片，最终聚焦在位于所述可旋转样品台上的待测样品；
当所述二倍频和所述三倍频同时推入系统时，输出激光波长λ3，其输出方向依次是所述第一分光镜、所述第四分光镜、所述第三透镜组、所述第三分光片、所述第三变焦透镜组、所述第六分光片，最终聚焦在位于所述可旋转样品台上的待测样品；
沿所述第一分光装置的反射光方向是所述能量计，所述能量计与所述计算机系统相连；
沿所述第二分光装置的所述第四分光片、所述第五分光片、所述第六分光片的反射光方向依次是所述反射镜、所述能量衰减器和所述光束质量分析仪，所述光束质量分析仪与所述计算机系统相连，实现能量空间分布和时间分布的分析；
所述CCD相机对准光束在所述待测样品的焦点，拍摄待测样品损伤点，所述CCD相机与所述计算机系统相连，获取样品表面损伤图样的最佳像面。
进一步地，所述可旋转样品台的附近还设有吸光盒和LED背光源；所述吸光盒对准光束的出光方向；所述LED背光源对准所述可旋转样品台以辅助损伤探测照明。
进一步地，所述第一分光镜镀有波长为λ1和λ2的AR膜，波长为λ3的HR膜；所述第二分光镜镀有镀有波长为λ1的AR膜，波长为λ2的HR膜；所述第三分光镜镀有波长为λ2的HR膜；所述第四分光镜镀有波长为λ3的HR膜。
进一步地，所述CCD相机为远心镜头。
进一步地，所述能量衰减装置，包括：λ/2波片和偏振片。
进一步地，所述能量衰减器，为衰减片。
本发明的优点在于：
1、本发明的激光光源装置由一个产生基频光的Nd：YAG激光器和倍频晶体组组成，克服传统由不同波长多激光器相互组合的缺点，使用简单单一的激光器配合倍频晶体实现三种测试波长的切换。
2、本发明的测试光路装置采用指定波长的HR与AR光学膜分光镜组配合技术，三种波长独立出光。指定波长出光后，其余波长的光源出光小于0.001％，有效克服不同波长耦合影响。
3、同时三种波长损伤阈值测试光路相互独立，有效克服三波长共测试光路造成的色散，导致光斑位置以及形态差异，导致激光损伤阈值测试不准的缺点。
4、本发明可满足多种测试功能，其中可通过旋转可旋转样品台角度来控制入射光的角度，满足不同角度入射对激光损伤阈值的影响分析，角度可调范围为±45°。
5、本发明中的聚焦透镜采用变焦透镜组，满足光斑尺寸0.1mm～15mm可调。
6、本发明具有实时光斑形态监测系统，可有效监测光斑形态对损伤阈值影响情况。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明的系统光路图。
图3是本发明的的测试光路装置侧面图。
图4是本发明的基频光λ1光源光路结构图。
图5是本发明的波长λ2光源光路结构图。
图6是本发明的波长λ3光源光路结构图。
具体实施方式
如图1至图6所示，一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，包括：激光光源装置、测试光路装置和计算机控制系统；
所述激光光源装置，包括：一Nd：YAG激光器、一能量衰减装置、一倍频晶体组、一波长选择装置、一扩束装置；
所述Nd：YAG激光器连接所述计算机控制系统，实现不同激光光源脉冲频率输出；
所述能量衰减装置连接所述计算机控制系统，以控制不同能量的输出；
所述Nd：YAG激光器发出的激光依次经过所述能量衰减装置、所述倍频晶体组、所述波长选择装置、所述扩束装置进入所述测试光路装置；
所述波长选择装置，包括：第一分光镜11、第二分光镜12、第三分光镜13、第四分光镜14；
所述扩束装置，包括：第一透镜组21、第二透镜组22、第二透镜组23；
所述测试光路装置，包括：第一分光装置、变焦透镜组、第二分光装置、能量计、光束质量分析仪、CCD相机、可旋转样品台；
所述第一分光装置，包括：第一分光片31、第二分光片32、第三分光片33；
所述变焦透镜组，包括：第一变焦透镜组41、第二变焦透镜组42、第三变焦透镜组43；
所述第二分光装置，包括：第四分光片51、第五分光片52、第六分光片53、反射镜54、能量衰减器55；
所述倍频晶体组，包括：二倍频和三倍频；
当所述倍频晶体组不推入系统时，Nd：YAG激光器产生的基频光λ1，其输出方向依次是第一分光镜11、第二分光镜12、第一透镜组21、第一分光片31、第一变焦透镜组41、第四分光片51，最终聚焦在位于可旋转样品台上的待测样品；
当二倍频推入系统时，输出激光波长λ2，其输出方向依次是第一分光镜11、第二分光镜12、第三分光镜13、第二透镜组22、第二分光片32、第二变焦透镜组42、第五分光片52，最终聚焦在位于可旋转样品台上的待测样品；
当二倍频和三倍频同时推入系统时，输出激光波长λ3，其输出方向依次是第一分光镜11、第四分光镜14、第三透镜组23、第三分光片33、第三变焦透镜组43、第六分光片53，最终聚焦在位于可旋转样品台上的待测样品；
沿第一分光装置的反射光方向是能量计，能量计与计算机系统相连；
沿第二分光装置的第四分光片51、第五分光片52、第六分光片53的反射光方向依次是反射镜54、能量衰减器55(衰减片)和光束质量分析仪，光束质量分析仪与计算机系统相连，实现能量空间分布和时间分布的分析；
CCD相机对准光束在待测样品的焦点，拍摄待测样品损伤点，CCD相机与计算机系统相连，获取样品表面损伤图样的最佳像面。
可旋转样品台的附近还设有吸光盒和LED背光源；吸光盒对准光束的出光方向；LED背光源对准可旋转样品台以辅助损伤探测照明。
第一分光镜11镀有波长为λ1和λ2的AR膜，波长为λ3的HR膜；
第二分光镜12镀有镀有波长为λ1的AR膜，波长为λ2的HR膜；
第三分光镜13镀有波长为λ2的HR膜；
第四分光镜14镀有波长为λ3的HR膜。
整个系统采用计算机控制系统进行自动控制，首先，计算机将指令发送给Nd：YAG激光器开始工作，待工作稳定后，控制开关档板的开启。Nd：YAG激光器输出脉冲基频光λ1，当倍频晶体组不放入光路中时，直接输出基频光λ1。当倍频晶体组中的二倍频放入光路中，输出λ2。当倍频晶体组中的二倍频和三倍频晶体同时放入光路中，输出λ3。当输出波长为λ1时，λ1可直接通过镀有波长为λ1和λ2的AR膜，波长为λ3的HR膜的第一分光镜11和镀有波长为λ1的AR膜，波长为λ2的HR膜的第二分光镜12透射后经由扩束装置扩束输出。当输出波长为λ2时，λ2通过镀有波长为λ1和λ2的AR膜，波长为λ3的HR膜的第一分光镜11和镀有波长为λ1的AR膜，波长为λ2的HR膜的第二分光镜12反射后经过镀有波长为λ2的HR膜的第三分光镜13反射后经由扩束装置扩束输出。当输出波长为λ3时，λ3通过镀有波长为λ1和λ2的AR膜，波长为λ3的HR膜的第一分光镜11反射后经过镀有波长为λ3的HR膜第四分光镜14反射后经由扩束装置扩束输出。
能量衰减装置由λ/2波片和偏振片组成，根据标定的λ/2波片和偏振片偏转角，通过计算机控制系统检偏器角度以保证输出的激光能量可调，可调范围为0％～95％。
对应波长光输出后，进入测试光路装置的第一分光装置，第一分光装置由分光镜组构成，分光镜表面镀有一定分光比的光学膜层，本实施例中分光比为10:1的，使得能量计接收到一个较小值的能量，更多的能量作用于样品的测试，根据分光比可计算照射到样品上的能量大小。
可变焦距透镜组对应波长光束进行汇聚，光学系统对不同激光束的焦距及像面位置不同，不同的波长对应不同的光路系统，可保证光束的准直和准确的束腰位置，减小测量误差。聚焦透镜可根据测试光斑需求选择特定的焦距，本实施例中焦距f＝1.5m，聚焦到测试样品表面的光斑为0.2mm，能量极高的汇聚到测试样品上
汇聚光束经过一定分光比的第二分光装置，第二分光装置具有可替换性，第二分光镜装置由分光镜组构成，分光镜表面镀有一定分光比的光学膜层，分光比可根据激光出射能量选择合适的激光能量入射到光束质量分析仪，光束质量分析仪放置位置为光束最佳焦平面上，根据脉冲信号频率，实时监测光斑形态。
可旋转样品台具有水平方向和竖直方向两个维度的调节，可通过步进电机控制可旋转样品台的移动方向，另外可旋转样品台还带有旋转位移台，可通过旋转可旋转样品台角度来控制入射光的角度，满足不同角度入射对激光损伤阈值的影响分析。
CCD相机为远心镜头，测试过程中，CCD相机可实时观测样品的在不同能量脉冲激光能量照射下，样品表面的损伤情况，LED背光源为CCD相机提供照明光源，吸光盒吸收透过测试样品的激光能量。
该系统具有1on1，Ron1,Son1测试的测试功能，可通过设计能量上下限，能流阶数，辐照次数为S，扫描行数和扫描列数。在样品选中测试区域后，激光脉冲串从左至右最低能量开始辐照到样品表面，根据能流阶数，依次递增辐照能量至最大后，再依据能流阶数依次递减至最小能量。当脉冲作用后，能量计及光束质量分析仪实时记录下当前脉冲的能量和光斑的大小，并反馈给计算机控制系统。CCD相机采集实时图像，阈值分析系统根据采集的图像，实时判断每个测试点的损伤情况，当认为薄膜表面发生了损伤后，计算机进行信息处理后，不在继续辐照该点，跳转进行下一个点的测量，重复以上过程，直到完成所有能流阶数和所有点的测量。在Son1测试过程中，同一点辐照次数为S次，同理在1on1测试过程中，激光发次为1次。Ron1测试则是通过设计能量上下限，能流阶数R，扫描行数和扫描列数。在样品选中测试区域后，从左至右开始在同一点从最低能量开始，根据能流阶数R，依次递增能量至最大能量后，R次无损伤以及辐照次数小于R发生损伤都跳转下一测试点重复测试过程。最后计算机控制系统根据所有测试点的损伤情况，自动进行线性拟合和计算出零损伤阈值能量，并出具报告。
本发明具有波长可调，光斑实时在线分析，可满足激光损伤阈值多角度入射多功能集成式的特征。既适用于光学薄膜损伤阈值的自动测试，也适用于光学材料的损伤阈值自动测试。
本发明采用指定波长的HR与AR光学膜分光镜组配合技术，三种波长独立出光，可实现三种测试波长的切换。通过旋转可旋转样品台角度来控制入射光的角度，满足不同角度入射对激光损伤阈值的影响分析。利用变焦透镜组，光斑尺寸可调，满足不同光斑尺寸对激光损伤阈值影响研究。设实时光斑形态监测系统，可有效监测光斑形态对损伤阈值影响情况。整个系统采用计算机进行自动控制效率高、快速、准确。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (6)
1.一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，其特征在于：包括：激光光源装置、测试光路装置和计算机控制系统；
所述激光光源装置，包括：一Nd：YAG激光器、一能量衰减装置、一倍频晶体组、一波长选择装置、一扩束装置；
所述Nd：YAG激光器连接所述计算机控制系统，实现不同激光光源脉冲频率输出；
所述能量衰减装置连接所述计算机控制系统，以控制不同能量的输出；
所述Nd：YAG激光器发出的激光依次经过所述能量衰减装置、所述倍频晶体组、所述波长选择装置、所述扩束装置进入所述测试光路装置；
所述波长选择装置，包括：第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜；
所述扩束装置，包括：第一透镜组、第二透镜组、第二透镜组；
所述测试光路装置，包括：第一分光装置、变焦透镜组、第二分光装置、能量计、光束质量分析仪、CCD相机、可旋转样品台；
所述第一分光装置，包括：第一分光片、第二分光片、第三分光片；
所述变焦透镜组，包括：第一变焦透镜组、第二变焦透镜组、第三变焦透镜组；
所述第二分光装置，包括：第四分光片、第五分光片、第六分光片、反射镜、能量衰减器；
所述倍频晶体组，包括：二倍频和三倍频；
当所述倍频晶体组不推入系统时，所述Nd：YAG激光器产生的基频光λ1，其输出方向依次是所述第一分光镜、所述第二分光镜、所述第一透镜组、所述第一分光片、所述第一变焦透镜组、所述第四分光片，最终聚焦在位于所述可旋转样品台上的待测样品；
当所述二倍频推入系统时，输出激光波长λ2，其输出方向依次是所述第一分光镜、所述第二分光镜、所述第三分光镜、所述第二透镜组、所述第二分光片、所述第二变焦透镜组、所述第五分光片，最终聚焦在位于所述可旋转样品台上的待测样品；
当所述二倍频和所述三倍频同时推入系统时，输出激光波长λ3，其输出方向依次是所述第一分光镜、所述第四分光镜、所述第三透镜组、所述第三分光片、所述第三变焦透镜组、所述第六分光片，最终聚焦在位于所述可旋转样品台上的待测样品；
沿所述第一分光装置的反射光方向是所述能量计，所述能量计与所述计算机系统相连；
沿所述第二分光装置的所述第四分光片、所述第五分光片、所述第六分光片的反射光方向依次是所述反射镜、所述能量衰减器和所述光束质量分析仪，所述光束质量分析仪与所述计算机系统相连，实现能量空间分布和时间分布的分析；
所述CCD相机对准光束在所述待测样品的焦点，拍摄待测样品损伤点，所述CCD相机与所述计算机系统相连，获取样品表面损伤图样的最佳像面。
2.如权利要求1所述的一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，其特征在于：所述可旋转样品台的附近还设有吸光盒和LED背光源；
所述吸光盒对准光束的出光方向；
所述LED背光源对准所述可旋转样品台以辅助损伤探测照明。
3.如权利要求1所述的一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，其特征在于：
所述第一分光镜镀有波长为λ1和λ2的AR膜，波长为λ3的HR膜；
所述第二分光镜镀有镀有波长为λ1的AR膜，波长为λ2的HR膜；
所述第三分光镜镀有波长为λ2的HR膜；
所述第四分光镜镀有波长为λ3的HR膜。
4.如权利要求1所述的一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，其特征在于：所述CCD相机为远心镜头。
5.如权利要求1所述的一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，其特征在于：所述能量衰减装置，包括：λ/2波片和偏振片。
6.如权利要求1所述的一种多功能式激光损伤阈值自动测试系统，其特征在于：所述能量衰减器，为衰减片。
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| CN (1) | CN116879298A (zh) |
-
2023
- 2023-05-30 CN CN202310624520.9A patent/CN116879298A/zh active Pending
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Legal Events
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