雙光束延遲雷射損傷測試系統的製作方法

2023-05-17 17:47:56

雙光束延遲雷射損傷測試系統的製作方法
【專利摘要】一種雙光束延遲雷射損傷測試系統，該系統由脈衝雷射器、雷射器控制器、七個反射鏡、四個分光鏡、兩個環形可變中性密度濾波片、電控平移臺、電機驅動器、主控計算機、電子快門、兩個平凸透鏡、三維電控樣品臺、光束質量分析儀、能量探測器、高分辨彩色CCD成像裝置和白光光源構成。本發明利用計算機實行自動化控制，能進行不同脈寬雷射對光學元件表面的雷射損傷閾值測試。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學元件雷射損傷測試，具體涉及一種雙光束延遲雷射損傷測試系 統。 雙光束延遲雷射損傷測試系統

【背景技術】
[0002] 光學薄膜等光學元件是雷射系統中不可缺少的基本元件，也是整個系統中最薄弱 的環節之一。應用於大能量、高功率雷射系統中的光學元件，要求在長時間範圍內穩定工 作，或者系統的性能不產生明顯降低。但是光學元件受雷射輻照後，即使出現十分微小的瑕 疵，也會導致輸出光束質量的下降，同時會造成後續元件的破壞，嚴重時將引起整個系統的 癱瘓。光學元件的抗雷射損傷特性將直接影響整個系統的設計以及系統運行的性能，因而 光學元件的雷射損傷問題一直是雷射向高能量、高功率方向發展的"瓶頸"，同時也是影響 整個雷射系統使用壽命的決定性因素之一。因此目前評判高功率雷射系統中元件質量優劣 的一個重要指標是光學元件的雷射損傷閾值。
[0003] 根據國際標準IS0-11254和IS0-21254,在脈衝雷射損傷中，根據雷射輻照方式 的不同，光學薄膜雷射損傷閾值的測試方法主要有以下四種：l-〇n-l，又稱單脈衝損傷，體 現樣品破壞的初始狀態，每個測試點只接受一個雷射脈衝輻照，不管出現損傷與否，樣品移 至下一個測試點；S-οη-Ι，又稱多脈衝損傷，表現元件在重複頻率雷射作用下的累積損傷效 果，同樣能量的多個脈衝作用於同一測試點；R-οη-Ι，是探測元件在抗雷射損傷方面可達 到的最大潛力的方法，對每個測試點進行能量密度以斜坡式漸增的多次輻照；N-on-1，對 R-on-1方法的簡化，可用η個脈衝以從小到大的順序以比較分離的能量密度間隔作用於同 一測試點。用脈衝雷射輻照被測樣品表面，利用三維電控樣品臺在垂直於雷射輻照方向的 平面內做堅直或水平方向的移動，即可實現l-〇n-l、S-on-1、R-οη-Ι和光柵掃描等測試方 法。國際標準推薦的檢測方法為相襯顯微法，即採用放大倍率100-150倍的Normaski顯微 鏡對雷射輻照後的光學元件進行觀察，以判斷是否發生雷射損傷。
[0004] 隨著雷射技術的發展，超短脈衝雷射技術給雷射的應用領域和光與物質相互作用 的研究帶來了革命性的發展。超短脈衝雷射的獲得，突破了因光電響應限制而未能開展的 小於皮秒級動力學過程研究的極限，並將有關瞬態動力學研究的領域拓展到飛秒時域，為 研究和認識自然界提供了嶄新的方法。研究超快雷射作用下光學元件的抗雷射破壞問題， 對於闡釋超快雷射與光學元件作用的物理機制、理清超快雷射作用下光學元件的破壞問 題，以及探索改善光學材料抗超短脈衝雷射損傷能力的途徑，具有非常重要的實際意義。超 快雷射與光學材料作用過程中的電子弛豫時間在理論分析中有重要作用，但其具體數值在 很長時間內都處於理論模擬階段，缺乏實驗論證。雙光束延遲雷射輻照系統可以從實驗角 度確定雷射與材料相互作用時的電子弛豫時間。
[0005] 儘管現有的專利技術從不同側面介紹了雷射損傷閾值測試系統，也有專利將兩組 不同波長的雷射系統合二為一，但從未有專利將同一脈衝雷射分束後做雙光束延遲的概念 引入雷射損傷閾值測試中，且測試系統大多只適用於脈寬在納秒量級的雷射器。已知光在 空氣中的傳播速度約為3X 108m/s，lps = l(T12s，即光在空氣中lps傳播約0. 3mm。通過分 光鏡將一束脈衝雷射分為兩束，並改變兩束雷射到達樣品的路程，可實現雙光束在皮秒至 納秒範圍的精確延遲控制，從而對研究雷射與材料作用的超快動力學提供實驗基礎。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供一種雙光束延遲雷射損傷測試系統，該系統適用於不同雷射 脈寬的光學元件表面雷射損傷閾值測試，並且實現系統的自動化控制。
[0007] 本發明的技術解決方案如下：
[0008] -種雙光束延遲雷射損傷測試系統，特點在於其構成包括：由脈衝雷射器和雷射 器控制器組成雷射輻照控制單元並產生脈衝雷射，沿該脈衝雷射方向依次經第一反射鏡和 第二反射鏡到第一分光鏡；第一分光鏡將脈衝光束分為反射光束和透射光束，所述的反射 光束經第三反射鏡和第四反射鏡到第二分光鏡組成標準光路，所述的透射光束經第五反射 鏡、第六反射鏡和第一環形可變中性密度濾波片到第二分光鏡組成延遲光路；第五反射鏡 和第六反射鏡固定在電控平移臺上，該平移臺與電機驅動器相連，電機驅動器與插在主控 計算機主板的運動控制卡相連，組成延遲控制單元；所述的第二分光鏡將所述的標準光路 的雷射脈衝和所述的延遲光路的雷射脈衝合束為主光束，該主光束依次經過第二環形可變 中性密度濾波片、電子快門、第三分光鏡、第四分光鏡和第一平凸透鏡，最終聚焦在三維電 控樣品臺上的待測樣品上；所述的電子快門與快門驅動器相連，該快門驅動器與電機驅動 器相連組成脈衝控制單元；由所述的第三分光鏡分出的反射光依次經第七反射鏡和第二平 凸透鏡聚焦於光束質量分析儀，該光束質量分析儀與所述的主控計算機相連組成光束質量 分析單元；經所述的第四分光鏡分出的反射光束由能量探測器接收，該能量探測器的輸出 端與所述的主控計算機的輸入端相連組成能量監測單元；高分辨彩色CCD成像裝置對準主 光束在所述的待測樣品的焦點，所述的高分辨彩色CCD成像裝置與插在主控計算機主板的 圖像採集卡相連，組成損傷形貌實時監控單元；白光光源對準所述的三維電控樣品臺以輔 助損傷探測照明；該三維電控樣品臺與電機驅動器相連組成樣品三維運動單元。
[0009] 所述的脈衝雷射器為飛秒、皮秒或納秒雷射脈寬的雷射器，雷射波長在300nm至 1200nm之間均可。
[0010] 所述的電子快門的曝光時刻、曝光時長和三維電控樣品臺的運動由計算機編程實 現協冋控制，在電機運動到指定位直時快門以指定時長開啟。
[0011] 所述的電控平移臺以及三維電控樣品臺均由主控計算機編程控制，通過LabVIEW 編寫電機運動程序實現電機移動速度、加速度、水平間距、堅直間距、水平點數、堅直點數、 水平間隔時間、堅直間隔時間、回程量、位移模式的設置，並實時顯示目前打點狀態和下一 行倒計時。
[0012] 本發明與現有技術相比較具有以下有益技術效果：
[0013] 1.本發明不僅可滿足傳統單光束雷射損傷測試系統的l-〇n-l、S-〇n-l、N-〇n-l、 R-on-1等雷射損傷測試要求，而且可實現同一束脈衝雷射的分束及合束，實現具有雙光束 延遲的雷射輻照測試，其雙光束延遲量達7000ps，可以8. 3fs為延遲精度由電機運動系統 精確調節。
[0014] 2.本發明適用於脈寬在飛秒、皮秒、納秒等不同時段的雷射器，通過採用雷射脈衝 相應波長的反射鏡和平凸透鏡，系統適用於脈衝雷射波長在300nm至1200nm內的雷射器。
[0015] 3.本發明中電子快門的曝光時刻、曝光時長和三維電控樣品臺的運動可由計算機 編程實現協同控制，即在電機運動到指定位置時快門以指定時間開啟。
[0016] 4.本發明中電控平移臺以及三維電控樣品臺均由主控計算機編程控制，通過 LabVIEW編寫電機運動程序可實現電機移動速度、加速度、水平間距、堅直間距、水平點數、 堅直點數、水平間隔時間、堅直間隔時間、回程量、位移模式的設置，並實時顯示目前打點狀 態和下一行倒計時。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明雙光束延遲雷射損傷測試系統示意圖
[0018] 圖2是本發明電機運動程序設置面板

【具體實施方式】
[0019] 下面結合實施例和附圖對本發明的實施方式作進一步說明，但不應以此限制本發 明的保護範圍。
[0020] 圖1是本發明雙光束延遲雷射損傷測試系統示意圖，由圖1可見，本發明雙光束延 遲雷射損傷測試系統，該系統適用於不同雷射脈寬，可實現系統的自動化控制。該系統由 Nd:YAG脈衝雷射器1發出脈寬30ps，峰值能量50mJ，波長1064nm，頻率10Hz的脈衝雷射。 通過雷射器控制器2選擇連續脈衝觸發，並設置雷射器能量衰減為50%。脈衝雷射經中心 波長1064nm的第一反射鏡4和第二反射鏡5到第一分光鏡6,半導體雷射器3從第一反射 鏡4背面入射以準直光路。由第一分光鏡6按能量比20:1分為透射光束和反射光束。反射 光束經中心波長l〇64nm的第三反射鏡7和第四反射鏡8到第二分光鏡13組成標準光路。 透射光束經中心波長l〇64nm的第五反射鏡9和第六反射鏡10到第二分光鏡13組成延遲 光路。第五反射鏡9和第六反射鏡10固定在電控平移臺11上，該平移臺與電機驅動器27 第一通道接口相連。電機驅動器27的信號輸入端與插在主控計算機30主板的Nl-motion 運動控制卡28相連。將第一環形可變中性密度濾波片12置於第六反射鏡10和第二分光 鏡13之間，以調節延遲光路能量實現延遲光路和標準光路的能量匹配。由第二分光鏡13 實現延遲光束和標準光束的合束，合束後的主光束依次經過第二環形可變中性密度濾波片 14、電子快門15、第三分光鏡17、第四分光鏡19和第一平凸透鏡21，最終聚焦於三維電控 樣品臺25。由第二環形可變中性密度濾波片14調節主光路能量，用於後續雷射損傷測試。 將電子快門15通過RS-232C標準串口連接快門驅動器16,並將快門驅動器16的"trigger input"埠與電機驅動器27第四通道接口相連。將第三分光鏡17從主光路分出的光束依 次經中心波長1064nm的第七反射鏡18和第二平凸透鏡22聚焦於光束質量分析儀26,該分 析儀通過USB埠與主控計算機30相連，在監測雙光束是否準直的同時，實時顯示並記錄 光斑有效面積。將第四分光鏡19從主光路分出的光束輻照能量探測器20,並將其與主控 計算機30相連。通過測量主光路能量，與能量探測器20示數之比，得出主光路與能量測試 光路的分光比，即可根據能量探測器20的示數實現雷射脈衝能量的實時測量及存儲。將具 有聚光鏡和衰減片的高分辨彩色C⑶成像裝置23與主控計算機30的圖像採集卡29相連， 並與主光軸成30°至60°夾角對準主光束焦點，實現損傷測試的實時監控，並實現損傷過 程的錄像以及損傷圖樣的保存。調節白光光源24亮度並以與主光軸成30°至60°夾角輻 照光學元件表面，以輔助損傷探測。待測光學元件加持在三維電控樣品臺25的支架上，分 別將三維電控樣品臺25的水平軸電機和垂直軸電機與電機驅動器27的第二和第三通道相 連。
[0021] 由主控計算機30通過LabVIEW語言編程製作電機運動程序（程序面板見附圖 2)，運動程序通過Nl-motion運動控制卡28將運動指令傳遞給電機驅動器27,電機驅動器 27將分析、計算所得的運動命令以數字脈衝信號或模擬電壓信號的形式送到電機並驅動電 機，配合機械傳動裝置以得到確定的位置、速度、加速度、減速度，即特定的運動形式。
[0022] 所述的脈衝雷射器1為EKSPLA公司的PL2251A型皮秒雷射器，可實現脈寬30ps， 峰值能量 50mJ (波長 1064nm)、25mJ (波長 532nm)、15mJ (波長 355nm)、7mJ (波長 266nm)四 種波長脈衝雷射輸出，頻率10Hz。脈衝能量從1%至100%可手動通過雷射器控制器2設 置。
[0023] 所述的第一至第四分光鏡6、13、17、19為50mmX50mmX 5m稜鏡，其傾斜表面鍍有 45°，中心波長1064nm的分光膜，與入射雷射光路呈45°角放置。
[0024] 所述的第一和第二環形可變中性密度濾波片12、14半徑5cm，鍍膜面積0°到 270°，衰減倍率從0. 1倍到10000倍連續可調。
[0025] 所述的電子快門15是VINCENT ASSOCIATES公司的UNIBLITZ可電子編程控制快 門系列的LS6型快門，快門光圈直徑6mm，最短完全曝光時間0. 8ms，峰值重複曝光頻率為 150Hz。LS6型快門外殼為陽極電鍍鋁保護層，葉片受光面塗覆AlMgF2、AlSiO,背面塗覆 Teflon。
[0026] 所述的快門驅動器16是VMM-ΤΙ快門驅動器，該驅動器可自定義曝光及延遲時間， 可從0. lms到9999s之間以0. lms為精度準確設定，可自定義1?99次曝光周期次數，通 過RS-232C標準串口連接快門，也可通過BNC標準接口連接外控。
[0027] 所述的電機驅動器27為NI公司的UMI-7764電機驅動器，支持四通道電機的獨立 或聯動控制。
[0028] 所述的運動控制卡28為NI公司的PCI-7344運動控制卡。
[0029] 所述的第一平凸透鏡21和第二平凸透鏡22直徑30mm，焦距20cm，表面鍍有中心 波長1064nm的增透膜，透射率大於99. 5%。
[0030] 所述的光束質量分析儀26為Coherent公司的LaserCam-HR型光束質量分析儀。
[0031] 所述的能量探測器20為0PHIR公司的Nova II能量探測器，有效探測口徑為 25mm，有效探測能量範圍為50μ J至20J，具有數據輸出功能。
[0032] 所述的高分辨彩色C⑶成像裝置23放大倍率為100倍，顯示區域為2. 5mmX 2mm。
[0033] 所述的電機運動控制程序設置面板如圖2所示，由圖2可見，通過移動速度設置欄 31可控制電機各軸移動速度。目前打點行數顯示欄32和目前打點列數顯示欄33分別顯示 下一雷射脈衝所在的行和列。水平軸選取欄34和垂直軸選取欄38可分別在四個指令通道 中選擇合適的電機運動軸。水平間距設置欄35和行間距設置欄39可分別設置雷射脈衝水 平方向的觸發間隔以及垂直方向的觸發間隔。水平輻照點數設置欄36和行數設置欄40可 分別設置水平打點數以及垂直所打行數。水平間隔時間設置欄37和行間隔時間設置欄41 可分別設置雷射脈衝水平打點間隔時間以及行間隔打點時間。倒計時顯示欄42可實時顯 示距下一行打點所需剩餘時間。位移模式選擇欄43可選擇電機運動方式是以絕對坐標移 動，或是以相對坐標移動。加速度設置欄44和減速度設置欄45可分別設置電機起停的加 速度。回程量設置欄46可設置每次打點後電機的回程量，此選項與電子快門結合，通過回 程量的控制給快門驅動器輸出脈衝電壓，以實現快門在每次雷射打點後的自動開閉。移動 路徑示意圖47顯示程序默認值所實現的雷射掃描打點路徑。水平運動停止按鈕48和垂直 運動停止按鈕49可分別控制雷射脈衝觸發時電機的水平運動停止或者垂直運動停止。
[0034] 所述的電控平移臺11及三維電控樣品臺25電機整步運行解析度為2. 5 μ m。電控 平移臺11對應延遲解析度為8. 3fs，其有效行程為210cm，對應延遲時間為7000ps。
[0035] 所述的待測光學元件可以是介質薄膜、金屬薄膜、半導體薄膜、光柵等光學元件。
[0036] 當所述的延遲光路被擋住時，該系統可作為單光束雷射損傷閾值測試系統使用， 即該系統具有極強的兼容性。
[0037] 被測樣品表面雷射損傷閾值測試過程和步驟如下：
[0038] 1)打開Nd:YAG脈衝雷射器1及其水箱，預熱雷射器30分鐘；
[0039] 2)打開半導體雷射器3電源，主控計算機30電源，電機驅動器27電源，快門驅動 器16電源，高分辨彩色CCD成像裝置23電源，白光光源24電源；
[0040] 3)打開NI-MAX程序進行電機初始化設置，打開電機運動控制程序，打開光束質量 分析軟體BeamView進行光束質量監測，打開(XD圖像採集程序並進行初始化設置；
[0041] 4)將快門設置為常開狀態，用Nd: YAG脈衝雷射器控制器2設置雷射輸出能量及觸 發方式，點擊開始進行脈衝觸發；
[0042] 5)用能量計置於第一平凸透鏡21後測量主光路能量，並讀取能量探測器20的能 量值，記錄分光比；
[0043] 6)用能量計置於第一平凸透鏡21後測量主光路能量，先後擋住標準光路和延遲 光路以測量兩支光路的能量，調節第一環形可變中性密度濾波片12使兩光路能量相同；
[0044] 7)將待測樣品裝夾在三維電控樣品臺25上，微調高分辨彩色C⑶相機23位置使 樣品成像清晰；
[0045] 8)在運動控制程序中，進行電機移動速度、水平（垂直）軸選取、水平（垂直）間 距、水平（垂直）點數、水平（垂直）間隔時間、加速度、回程量、位移模式選取等設置；
[0046] 9)設置快門驅動器16曝光時間及曝光延遲時間；
[0047] 10)設置延遲光路的光束延遲距離；
[0048] 11)點擊運動程序開始按鈕，電機按預設程序開始運動，並在指定位置快門開啟， 脈衝雷射輻照至樣品表面，通過對比雷射輻照前後高分辨彩色(XD成像畫面判斷損傷與 否，並記錄相應損傷圖像和能量計能量，以及光束質量分析軟體的光束形貌及有效光斑面 積；
[0049] 12)根據步驟11)的樣品損傷情況，調節第二環形可變中性密度濾波片14以改變 下一行脈衝雷射能量，由雷射脈衝能量除以光斑有效面積得雷射能量密度；以雷射能量密 度為橫軸，以損傷機率為縱軸，得到光學樣品雷射損傷機率曲線，通過相應方法擬合出零損 傷機率，計算被測樣品的雷射損傷閾值。
【權利要求】
1. 一種雙光束延遲雷射損傷測試系統，特徵在於其構成包括：由脈衝雷射器（1)和激 光器控制器（2)組成雷射輻照控制單元並產生脈衝雷射，沿該脈衝雷射方向依次經第一反 射鏡（4)和第二反射鏡（5)到第一分光鏡（6);第一分光鏡（6)將脈衝光束分為反射光束 和透射光束，所述的反射光束經第三反射鏡（7)和第四反射鏡（8)到第二分光鏡（13)組成 標準光路，所述的透射光束經第五反射鏡（9)、第六反射鏡（10)和第一環形可變中性密度 濾波片（12)到第二分光鏡（13)組成延遲光路；第五反射鏡（9)和第六反射鏡（10)固定在 電控平移臺（11)上，該平移臺（11)與電機驅動器（27)相連，電機驅動器（27)與插在主控 計算機（30)主板的運動控制卡（28)相連，組成延遲控制單元；所述的第二分光鏡（13)將 所述的標準光路的雷射脈衝和所述的延遲光路的雷射脈衝合束為主光束，該主光束依次經 過第二環形可變中性密度濾波片（14)、電子快門（15)、第三分光鏡（17)、第四分光鏡（19) 和第一平凸透鏡（21)，最終聚焦在三維電控樣品臺（25)上的待測樣品上；所述的電子快門 (15)與快門驅動器（16)相連，該快門驅動器（16)與電機驅動器（27)相連組成脈衝控制單 元；由所述的第三分光鏡（17)分出的反射光依次經第七反射鏡（18)和第二平凸透鏡（22) 聚焦於光束質量分析儀（26)，該光束質量分析儀與所述的主控計算機（30)相連組成光束 質量分析單元；經所述的第四分光鏡（19)分出的反射光束由能量探測器（20)接收，該能量 探測器（20)的輸出端與所述的主控計算機（30)的輸入端相連組成能量監測單元；高分辨 彩色CCD成像裝置（23)對準主光束在所述的待測樣品的焦點，所述的高分辨彩色CCD成像 裝置（23)與插在主控計算機（30)主板的圖像採集卡（29)相連，組成損傷形貌實時監控單 元；白光光源（24)對準所述的三維電控樣品臺（25)以輔助損傷探測照明；該三維電控樣 品臺（25)與電機驅動器（27)相連組成樣品三維運動單元。
2. 根據權利要求1所述的光學元件表面雷射損傷測試系統，其特徵在於所述的脈衝激 光器（1)為飛秒、皮秒或納秒雷射脈寬的雷射器，雷射波長在300nm至1200nm之間均可。
3. 根據權利要求1所述的光學元件表面雷射損傷測試系統，其特徵在於所述的電子快 門（15)的曝光時亥lj、曝光時長和三維電控樣品臺（25)的運動由計算機編程實現協同控制， 在電機運動到指定位置時快門以指定時長開啟。
4. 根據權利要求1所述的光學元件表面雷射損傷測試系統，其特徵在於所述的電控平 移臺（11)以及三維電控樣品臺（25)均由主控計算機（30)編程控制，通過LabVIEW編寫電 機運動程序實現電機移動速度、加速度、水平間距、堅直間距、水平點數、堅直點數、水平間 隔時間、堅直間隔時間、回程量、位移模式的設置，並實時顯示目前打點狀態和下一行倒計 時。
【文檔編號】G01M11/02GK104101486SQ201410336518
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月16日 優先權日:2014年7月16日
【發明者】趙元安, 李澤漢, 李大偉 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所