CN1971233A - 一种同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法 - Google Patents

Abstract

一种同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特征在于：采用激光量热和表面热透镜联合技术同时测量光学元件的吸收损耗绝对值和表面热变形量，并可监视激光照射过程中光学元件吸收损耗的实时变化。本方法通过测量加热激光束照射过程中光学元件的温度变化得到其吸收损耗值，并通过测量光学元件因吸收加热激光束能量产生的表面热变形导致的探测激光束中心光强变化幅值得到表面热变形量，通过监测探测光束中心光强的实时变化监视吸收损耗的实时变化及光学元件性能的稳定性。

Description

一种同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法

技术领域

本发明涉及一种对光学元件参数的测量方法，特别是吸收损耗和表面热变形量的同时测量方法。

背景技术

在高功率激光技术及其应用中，光学元件的吸收损耗及由此引起的表面热变形是光学元件重要的技术参数。吸收损耗直接决定了光学元件损伤阈值的大小，限制了激光器和激光系统所能承受的激光功率、激光能量，而吸收引起的光学元件表面热变形会导致激光束的光束质量变差，限制了高功率激光技术的应用领域。因此，要发展低吸收损耗、低热畸变(表面热变形)的高功率激光光学元件，首先必须要有能准确测量低吸收损耗和低热变形量的技术手段。

目前测量光学元件吸收损耗的国家标准是激光量热法(ISO11551：2003(E)-Test method for absorptance of optical laser components)，其优点是能直接测量吸收损耗绝对值(不需要定标)，测量灵敏度高(优于10^-6-李斌成，熊胜明，H.Blaschke，等；激光量热法测量光学薄膜微弱吸收，《中国激光》33：823(2006))，且装置简单，调节方便。缺点是光照射时间长，时间分辨率低，所测量结果仅反映光照射时间内光学元件吸收损耗的平均值。表面热变形量的常用测量方法有哈特曼波前传感测量法和激光干涉测量法。两种测量方法的灵敏度都不高。表面热透镜技术也可用于表面热变形量的绝对测量(B.Li，S.Martin，and E.Welsch，Pulsed top-hat beam thermal lensmeasurement on ultraviolet dielectric coatings，Opt.Lett.24，1398(1999)；B.Liand E.Welsch，Probe beam diffraction in pulsed top-hat beam thermal lens withmode-mismatched configuration，Appl.Opt.38，5241(1999))，且通过周期性调制结合锁相探测或多次平均，测量灵敏度比波前传感和激光干涉技术高。目前还没有能同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的技术和方法报道。

发明内容

本发明的目的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种能同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，并可用于监测在激光束照射下光学元件吸收损耗的实时变化和光学性能稳定性。

本发明的技术解决方案：同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特点在于步骤如下：

(1)将一聚焦的高功率激光束(加热激光束，功率瓦级及以上)照射到一放置在绝热样品室内的光学元件表面中心位置附近，光学元件因吸收激光束能量导致温度上升，同时光学元件因热膨胀产生表面热变形。用一高灵敏温度测量元件直接接触光学元件表面测量其温度变化，得到加热激光束照射前、照射过程中、以及照射后(冷却过程)光学元件的温度变化信号ΔT(t)；同时使用一低功率的连续激光束(探测激光束，功率毫瓦级或更低)入射到光学元件被加热激光束照射的相同表面区域，用一小孔光阑和光电探测器组合测量从光学元件表面反射的探测激光束的中心光强变化ΔI(t)，得到加热激光束照射过程中探测激光束中心光强变化ΔI(t)对应的电流或电压信号ΔV(t)；

(2)记录加热激光束照射前、照射过程中、以及照射后(冷却过程)光学元件的温度变化信号波形ΔT(t)，通过数据处理得到光学元件的吸收损耗绝对值；

(3)记录加热激光束照射过程中探测激光束中心光强变化对应的电流或电压信号(称为表面热透镜信号)的振幅A(t)和/或相位(t)，通过数据处理得到光学元件的表面热变形量，以及其随时间的实时变化情况，由此得到光学元件吸收损耗的实时变化情况。

所述步骤(2)中的吸收损耗绝对值通过拟合加热激光束照射前、照射过程中、以及照射后光学元件的温度变化曲线ΔT(t)得到。

所述步骤(1)中加热激光束和探测激光束的中心位置在被测样品表面重合，并且在样品表面位置探测激光束的光斑尺寸是加热激光束的2倍以上。

所述步骤(1)中小孔光阑和光电探测器组合的小孔光阑位于探测器探测面之前，且小孔光阑的口径小于加热激光束在样品表面位置的光斑尺寸。

所述步骤(1)中探测激光束相对于样品表面的入射角范围为0-60度，并且在垂直入射时使用偏振分光技术分离入射和原光路反射的探测光束。

所述步骤(1)中的加热激光束强度的调制采用光学斩波器调制，或者采用声光调制器调制，调制频率范围10Hz-10kHz。

本发明的原理是：首先参考国际标准ISO11551建立激光量热装置，基于激光量热技术测量被测光学元件的吸收损耗。然后在激光量热测量技术和装置基础上，引入表面热透镜测量技术。相关具体步骤为将未聚焦的探测激光束与加热激光束共轴或傍轴地入射到被测光学元件的加热表面，两激光光束中心在光学元件被照射表面重合。使用光电探测器测量从光学元件被照射表面反射的探测激光束中心光强的变化。用光学斩波器或声光调制器对加热激光光束的强度进行周期性调制，用锁相放大器测量探测光束中心光强的周期性变化ΔI(t)，并用数字电压表或示波器测量中心光强的直流信号I(t)，从而得到表面热透镜信号S(t)＝ΔI(t)/I(t)。再利用表面热透镜信号的幅值A(t)推导出表面热变形量大小，利用表面热透镜信号幅值A(t)和相位(t)的实时变化监测光学元件吸收损耗的实时变化和光学元件的性能稳定性。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)可同时测量光学元件的吸收损耗和表面热变形量，并可监测光学元件在激光照射下光学性能的稳定性，一机多用，节约了成本；

(2)可监测激光量热技术测量光学元件吸收损耗过程中光学元件吸收损耗的动态变化过程，有利于提高吸收损耗的测量精度；

(3)测量表面热变形量的灵敏度更高。

附图说明

图1为本发明的测量装置结构示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明采用的测量装置由加热激光光源1、光学斩波器或声光调制器2、聚焦透镜3、电动光学快门4、激光功率计5、探测激光光源6、反射镜7、绝热样品室8、被测样品夹具及被测样品9，参考样品夹具及参考样品10，灵敏温度探测单元11，桥式放大电路12，光电探测器13，小孔光阑14，A/D转换器15，数字电压表或示波器16，锁相放大器17，计算机18，反射镜19和光吸收体20组成；加热激光光源1的输出光束经斩波器或声光调制器2光强调制后由透镜3聚焦到放置在绝热样品室8内的被测光学元件9表面。加热激光束的功率由电动光学快门4反射到激光功率计5测量。透过和从被测光学元件反射的加热激光束经反射镜19转向后由光吸收体20吸收。光学元件因吸收加热激光束能量而温度上升，同时表面因热膨胀产生变形。光学元件的温度上升由高灵敏温度探测单元11测量，并通过另一温度探测单元同时测量参考光学元件10的温度和使用桥式放大电路12消除环境温度漂移影响。消除了环境温度漂移影响的温度信号ΔT(t)经A/D转换器15模数转换后送入计算机18数据处理，得到被测光学元件的吸收损耗绝对值。另外，表面热变形由表面热透镜技术测量，从探测激光光源6输出的光束经反射镜7转向后入射到被测光学元件表面被加热激光束照射的相同区域，从该表面反射的探测激光束经反射镜转向后，光斑中心部分光束穿过小孔光阑14后由光电探测器13探测，被测光学元件因热膨胀产生的表面热变形导致反射探测激光束中心光强降低，通过光电探测器探测中心光强的直流量I(t)(由数字电压表或示波器16读出)及其交流变化量ΔI(t)(由锁相放大器17读出)，得到表面热透镜信号S(t)的振幅A(t)和相位(t)，再经过计算机18数据处理即可得到被测光学元件表面热变形量大小。表面热透镜信号振幅和相位的实时变化则反映了被测光学元件吸收损耗的实时变化及光学性能稳定性。

激光量热技术通过测量光学元件因吸收照射激光束能量而产生的温度上升来确定光学元件的吸收大小。国际标准ISO11551中规定，测量过程应包括照射前(至少30秒)、照射(5至300秒)和冷却(至少200秒)三个过程。照射和冷却过程中被测样品的温度变化分别为：

ΔT(t)＝A{1-exp[-γ(t-t₁)]}，(t₁≤t≤t₂)        (1)

ΔT(t)＝ΔT(t₂)+B{1-exp[-γ(t-t₂)]}，(t≥t₂)    (2)

其中C_eff、α、P、γ分别是样品及样品夹具的有效热容量、样品吸光度、照射激光束功率和热损失系数，t₁和t₂分别是激光束照射开始和结束时的时间，A，B为实验参数。通过(1)、(2)式拟合测量温度曲线得到A、B和γ，从而得到被测样品的绝对吸光度：

$\mathrm{\α}=\frac{f_c\mathrm{\γ}{C}_{\mathrm{eff}}A}{P}.---\left(3\right)$

(3)式中的功率P由激光功率计测量，f_c为实验定标因子，通过测量已知吸收值的标准样品确定。

在表面热透镜技术中，表面热透镜信号反映了从被测光学元件表面反射的探测激光束中心光强度的变化。当加热激光束和探测激光束的中心位置在被测样品表面重合，并且在样品表面位置探测激光束的光斑尺寸是加热激光束的2倍以上时，表面热透镜信号可表示为：

$S\left(t\right)=A\left(t\right)\exp \left(\mathrm{i\φ}\left(t\right)\right)=\frac{\mathrm{\ΔI}\left(t\right)}{I\left(t\right)}\≈C\·\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\γ}}\·\mathrm{\Δ}{h}_{\max }\∝\mathrm{\αP}---\left(4\right)$

(4)式中Δh_max为最大表面热变形量，λ为探测激光束波长，C为与被测光学元件热物理特性和实验参数(调制频率、探测距离、加热激光束光斑尺寸等)有关的系数，可通过实验或理论推导得到，通过测量表面热透镜信号振幅A(t)，即可得到表面热变形量大小。而由于表面热透镜信号振幅A(t)与被测光学元件的吸收损耗成正比，通过监测表面热透镜信号振幅A(t)的实时变化，就可以得到激光束照射时吸收损耗的实时变化。

在表面热透镜技术的具体实施过程中，为了提高测量灵敏度，对加热激光束功率进行了周期性调制。通过合理选择调制频率来提高热透镜信号的信噪比，通常合理的调制频率范围在10Hz-10kHz。

Claims (6)

1.一种同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特征在于：

(1)将一聚焦的高功率激光束，即加热激光光束照射到一放置在绝热样品室内的光学元件表面中心位置附近，光学元件因吸收激光束能量导致温度上升，同时光学元件因热膨胀产生表面热变形，用一高灵敏温度测量元件直接接触光学元件表面测量其温度变化，得到加热激光束照射前、照射过程中、以及照射后，即冷却过程光学元件的温度变化信号ΔT(t)；同时使用一低功率的连续激光束，即探测激光光束入射到光学元件被加热激光束照射的相同表面区域，用一小孔光阑和光电探测器组合测量从光学元件表面反射的探测激光束的中心光强变化ΔI(t)，得到加热激光束照射过程中探测激光束中心光强变化ΔI(t)对应的电流或电压信号ΔV(t)；

(2)记录加热激光束照射前、照射过程中、以及照射后，即冷却过程光学元件的温度变化信号波形ΔT(t)，通过数据处理得到光学元件的吸收损耗绝对值；

(3)记录加热激光束照射过程中探测激光束中心光强变化对应的电流或电压信号，称为表面热透镜信号的振幅A(t)和/或相位(t)，通过数据处理得到光学元件的表面热变形量，以及其随时间的实时变化情况，由此得到光学元件吸收损耗的实时变化情况。

2.根据权利要求1所述的同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的数据处理为：通过拟合加热激光束照射前、照射过程中、以及照射后，即冷却过程光学元件的温度变化曲线ΔT(t)得到吸收损耗绝对值。

3.根据权利要求1所述的同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特征在于：所述的加热激光束和探测激光束的中心位置在被测样品表面重合，并且在样品表面位置探测激光束的光斑尺寸是加热激光束的2倍以上。

4.根据权利要求1所述的同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特征在于：所述的小孔光阑和光电探测器组合中的小孔光阑位于探测器探测面之前，且小孔光阑的口径小于加热激光束在样品表面位置的光斑尺寸。

5.根据权利要求1所述的同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特征在于：所述的探测激光束相对于样品表面的入射角范围为0-60度，并且在垂直入射时使用偏振分光技术分离入射和原光路反射的探测光束。

6.根据权利要求1所述的同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法，其特征在于：所述加热激光束强度的调制采用光学斩波器调制，或者采用声光调制器调制，调制频率范围10Hz-10kHz。