专利名称：光学元件体内激光损伤在线探测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光损伤探测，特别是 一种光学元件体内激光损伤在线探测方法和装置。
背景技术：
随着激光通量的提升和紫外激光研究的深入，光学元件的抗破坏能力制约了激光器的发展和紫外领域的研究。激光破坏的产生和生长会导致光束质量及光通量的下降，同时也会造成后续元件的破坏。因此目前评判高功率激光系统中元件质量优劣的一个重要指标就是光学元件的激光损伤阈值。光学元件的激光损伤可能发生在前、后表面或体内。比如激光薄膜、熔石英玻璃等元件的损伤首先产生于表面；KDP/DKDP晶体的损伤首先产生于体内。因此对KDP/DKDP晶体而言体内激光损伤的探测就显得尤为重要。相对于表面损伤探测，体内探测技术发展比较缓慢，这主要是由于体内损伤探测受到景深大、容易离焦、表面散射光远大于体内等因素的制约，使得体内损伤探测难度较大。现有损伤探测技术中，主要是利用激光与光学元件相互作用产生的各种效应探测光学元件的损伤。比如等离子体闪光判别法、散射法、光热法、光声法等。等离子体闪光判别法，主要应用于薄膜表面的损伤探测，当脉冲激光作用于薄膜表面，薄膜内的杂质吸收激光，从而使辐射位置迅速升温产生气化，进而物质蒸汽中的原子被激发或离化，形成等离子体闪光。实际上在形成等离子体闪光之前，膜层可能已产生了一定的损伤，所以采用该方法的探测灵敏度较低。散射法主要采用主动式光源照明被检的光学元件，如果光学元件存在损伤，则损伤点会产生散射光，使得散射光强度或者探测区域图像发生变化，由此判断损伤是否产生。光热法是利用激光辐射引起光学元件表面结构以及性能的变化光热信号也会随着发生变化来判断损伤是否产生。光声法是采用光学元件表面在损伤后，其膜层内的光声波的波形发生变形来判断损伤。分析上述四种方法，等离子闪光、光热法和光声法都只能适用于表面损伤的判定。而对体内损伤的判定只能采用散射法。本文采用透镜组收集散射光将体内区域成像在探测器上，判断激光辐照前后图像的变化情况确定损伤是否产生，这种方法也称之为图像相减法。
发明内容
本发明提供一种光学元件体内激光损伤在线探测方法和装置，适于各类光学元件体内损伤的在线测试，且灵敏度较高。本发明的技术解决方案如下
一种光学元件体内激光损伤在线探测方法，应用脉冲激光器发出的激光辐照光学元件体内，观测光学元件体内激光辐照区域的图像变化判断损伤是否产生，其特点在于所述的脉冲激光器是Nd :YAG脉冲激光器，采用HeNe连续激光照亮光学元件体内激光辐照区域，将大景深、高分辨率的成像装置从正侧面将光学元件体内激光辐照区域成像在探测器上，通过计算机控制损伤在线监测系统和待测光学元件的同步移动，以消除待测光学元件移动带来的离焦现象。实施上述光学 元件体内激光损伤探测方法的装置，其特点在于该装置包含HeNe连续激光器，沿该HeNe连续激光器的输出光方向依次是双色镜、聚焦透镜和待测光学元件，所述的双色镜与光路成45°，在所述的双色镜的45°方向设置Nd = YAG激光器，该NdiYAG激光器发出的激光经所述的双色镜反射后与所述的HeNe连续激光器输出的激光同光路经所述的聚焦透镜照射在待测光学元件体内，所述的待测光学元件置于样品平移台上，在所述的待测光学元件的正侧方向是探测装置移动平台，在该探测装置移动平台有成像透镜组和CCD探测器，该CCD探测器的输出端与计算机的输入端相连，该装置的光路是，Nd:YAG激光器发出脉冲激光经双色镜反射后由聚焦透镜聚焦在待测光学元件的体内构成一个Nd: YAG激光照射区域；由HeNe激光器发出的连续的HeNe激光透过双色镜经聚焦透镜照亮被Nd: YAG激光照射区域；所述的HeNe激光经探测区域的散射光通过正侧面的成像透镜组收集并成像在CCD探测器上，CCD探测器收集的待测光学元件的损伤数据输入所述的计算机，该计算机对损伤数据进行处理；
所述的计算机经第一运动控制卡控制第一电机驱动器驱动第一步进电机带动所述的样品移动平台运动，使所述的待测光学元件按需求的轨迹运动，所述的计算机经第二运动控制卡控制第二电机驱动器驱动第二步进电机带动所述的探测装置移动平台运动，使所述的成像透镜组和CCD探测器整体运动，与所述的待测光学元件的运动相配合，以消除离焦现象。所述的成像透镜组为大景深、高分辨率的成像透镜组。本发明与在先技术相比较具有以下技术效果
I、本发明提供了一种噪声小、分辨率优于5 μ m、稳定可靠的体内损伤探测装置。2、采用自动化控制技术实现光程变化的自动补偿消除离焦现象，保证样品移动后探测装置不离焦，提高检测的准确度。同时采用自动化控制技术大幅度提高了检测效率。3、大景深、高分辨率的成像装置，具有不容易离焦的特点，并从正侧面监测体内区域削弱表面散射光的影响，大幅度消除噪声，提高探测精度。
图I是本发明光学元件体内损伤探测装置框图。图2是成像透镜组的设计示意图。图3是计算机光程补偿自动控制装置结构示意图。图中1 - HeNe激光器，2 — Nd = YAG激光器，3 —双色镜，4 一聚焦透镜，5 —待测光学元件，6 —成像透镜组，7 — CXD探测器，8—计算机，9 一样品移动平台，10—探测装置移动平台，11 一探测区域，12 —透镜组对探测区域所成的像，13 —第一运动控制卡，14 一第一电机驱动器，15 一第一步进电机，16 一第二运动控制卡，17 一第二电机驱动器，18 —第二步进电机。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图I是本发明光学元件体内损伤探测装置框图，由图可见，本发明光学元件体内激光损伤探测装置，包含HeNe连续激光器1，沿该HeNe连续激光器I的输出光方向依次是双色镜3、聚焦透镜4和待测光学元件5，所述的双色镜3与光路成45°，在所述的双色镜3的45 °方向设置Nd: YAG激光器2，该Nd: YAG激光器2发出的激光经所述的双色镜3反射后与所述的HeNe连续激光器I输出的激光同光路经所述的聚焦透镜4照射在待测光学元件5体内，所述的待测光学元件5置于样品平移台9上，在所述的待测光学元件5的正侧方向是探测装置移动平台10，在该探测装置移动平台10设置成像透镜组6和CXD探测器7，该CCD探测器7的输出端与计算机8的输入端相连，该装置的光路是，Nd: YAG激光器2发出脉冲激光经双色镜3反射后由聚焦透镜4聚焦在待测光学元件5的体内构成一个Nd: YAG激光照射区域；由HeNe激光器I发出的连续的HeNe激光透过双色镜3与Nd: YAG激光相同的光路中照亮被Nd: YAG激光照射区域；所述的HeNe激光经探测区域的散射光通 过所述的待测光学元件5的正侧面的成像透镜组6收集并成像在CXD探测器7上，CXD探测器7收集的待测光学元件5的损伤数据输入所述的计算机8，该计算机对损伤数据进行处理；
参见图3，图3是计算机控制的光程补偿自动控制装置结构框图，所述的计算机8经第一运动控制卡13控制第一电机驱动器14驱动第一步进电机15带动所述的样品移动平台9运动，使所述的待测光学元件5按需求的轨迹运动，所述的计算机8经第二运动控制卡16控制第二电机驱动器17驱动第二步进电机18带动所述的探测装置移动平台10运动，使所述的成像透镜组6和CCD探测器7整体运动，与所述的待测光学元件5的运动相配合，以消除离焦现象。所述的成像透镜组6为大景深、高分辨率的成像透镜组。由于聚焦透镜4的焦距很长5m，而待测光学元件5 (以下简称为样品)的厚度较薄 12mm，所以在样品体内被辐射区域激光光斑直径基本相同。激光光斑的有效直径为O. 7mm,脉宽为 8nsο 由HeNe激光器发出的连续的HeNe激光的光路与Nd: YAG激光的光路相同，经聚焦透镜4聚焦并照亮了被Nd = YAG激光辐射的区域，HeNe激光光斑面积一般为Nd =YAG激光光斑的2 3倍。HeNe激光照明系统为散射光探测提供光源，光源的强弱取决于透镜组的相对孔径和探测器的灵敏度。由成像透镜组6、(XD探测器7和计算机8构成损伤探测系统。成像透镜组6将探测区域11成像在CCD探测器7上，然后由数据采集卡读取CCD探测到的信号将图像显示在计算机8上。损伤探测装置安装在样品的正侧面，从正侧面观察可以减少表面散射光的影响，也可以保证整个探测区域(约12mm长)都能清晰地成像，同时从正侧面观察需要将待测样品的侧面进行抛光，以便散射光能透过样品侧面被成像透镜组捕捉到。由于Nd :YAG激光光束直径为O. 7_，这就要求透镜组的景深大于O. 7_，并且光学元件体内激光损伤的尺寸为微米量级，比如KDP/DKDP晶体体内激光损伤的尺寸约为5 μ m，这就要求透镜组的分辨率小于5 μ m。为了提高分辨率增大景深，所述的成像透镜组6采用四镜片组合，前两块镜片用于光束准直，后两块镜片用于缩放成像，并通过减小相对孔径的方法增大景深。所述的成像透镜组的分辨率为3 μ m, HeNe激光辐照下由于散射光的相互干涉使得散射点变大，因此实际测量发现HeNe激光辐照下它能分辨〈I μ m的损伤点，它的分辨率会随着HeNe激光的强度而发生变化。HeNe激光辐照下成像透镜组6的实测景深为 3mm。另外需要考虑透镜组的放大倍率，根据探测区域11的纵向宽度与CCD的尺寸确定透镜组的放大倍率。损伤测试过程中激光光束位置不变，而是通过移动样品获得多个区域的损伤情况，从而确定某能量激光作用下的损伤几率。样品左右移动会引起探测区域11至CCD探测器7之间的光程发生变化，假设样品的折射率为I. 5，那么样品左右移动6_，光程变化3_。如果损伤探测装置不动，那么光程变化就会引起离焦，致使图像模糊。为了消除离焦现象，本发明采用计算机8同时精确控制样品移动平台9的左右移动距离以及探测装置移动平台10的补偿距离，使成像透镜组6和CXD探测器7整体移动弥补样品移动带来的光程变化，使得样品左右移动过程中光程不变，消除离焦现象。具体过程是当样品需要左右移动时，计算机8同时输出两个信号，一个信号输出给第一运动控制板卡13，它将计算机信号转换为脉冲和方向信号，输入给第一电机驱动器14,从而控制样品移动平台第一步进电机15的移动方向和距离；另一个信号输出给第二运动控制卡16，控制探测装置移动平台10的移动方 向和距离。这两个移动平台的移动距离之间匹配关系由样品折射率和成像装置决定，并通过实验测定获得。如图I所示，由Nd = YAG激光器2发出脉冲宽度为8ns的激光通过双色镜3反射后由聚焦透镜4聚焦以0°入射角辐射在待测光学元件5的体内，辐射区域的直径约为O. 7mm,深度约为12mm (样品厚度)。由HeNe激光器I发出的连续HeNe激光入射到与Nd = YAG激光相同的光路中照亮被Nd: YAG激光辐射的区域，该辐射区域通过成像透镜组6缩小3倍后成像在靶面尺寸为宽4. 8mmX高3. 6mm的CXD探测器7上，通过观测Nd =YAG激光辐照前后探测区域图像的变化，判断待测光学元件5体内是否产生损伤点。损伤测试过程中需要测量某激光能量作用下的损伤几率，通过移动样品探测某激光能量作用下多个区域的损伤情况，由此获得损伤几率。然后改变激光能量，再次测量损伤几率。如果样品左右移动则探测区域至CCD探测器之间的光程会发生变化，需要通过整体移动成像透镜组6和CCD探测器7，并通过计算机8精确控制移动距离补偿光程变化消除离焦现象，如果样品上下移动则光程不会发生变化，此时不需要移动损伤探测装置。
权利要求
1.一种光学元件体内激光损伤在线探测方法，应用脉冲激光器发出的激光辐照光学元件体内，观测光学元件体内激光辐照区域的图像变化判断损伤是否产生，其特征在于所述的脉冲激光器是Nd :YAG脉冲激光器，采用HeNe连续激光照亮光学元件体内激光辐照区域，将大景深、高分辨率的成像装置从正侧面将光学元件体内激光辐照区域成像在探测器上，通过计算机控制损伤在线监测系统和待测光学元件的同步移动，以消除待测光学元件移动带来的离焦现象。
2.实施权利要求I所述的光学元件体内激光损伤探测方法的装置，其特征在于该装置包含HeNe连续激光器(I )，沿该HeNe连续激光器(I)的输出光方向依次是双色镜(3)、聚焦透镜(4)和待测光学元件(5)，所述的双色镜(3)与光路成45°，在所述的双色镜(3)的45°方向设置Nd = YAG激光器，该Nd = YAG激光器发出的激光经所述的双色镜(3)反射后与所述的HeNe连续激光器(I)输出的激光同光路经所述的聚焦透镜(4)照射在待测光学元件(5)体内上，所述的待测光学元件(5)置于样品平移台(9)上，在所述的待测光学元件(5)的侧方向是探测装置移动平台(10)，在该探测装置移动平台(10)上装有成像透镜组(6)和CXD探测器(7)，该CXD探测器(7)的输出端与计算机(8)的输入端相连，该装置的光路是，Nd:YAG激光器(2)发出脉冲激光经双色镜(3)反射后由聚焦透镜(4)聚焦在待测光学元件(5 )的体内构成一个Nd: YAG激光照射区域；由HeNe激光器(I)发出的连续的HeNe激光透过双色镜(3)与Nd = YAG激光相同的光路中照亮被Nd = YAG激光照射区域；所述的HeNe激光经探测区域的散射光通过正侧面的成像透镜组(6)收集并成像在CXD探测器(7)上，CXD探测器(7)收集的待测光学元件(5)的损伤数据输入所述的计算机(8)，该计算机对损伤数据进行处理； 所述的计算机(8)经第一运动控制卡(13)控制第一电机驱动器(14)驱动第一步进电机(15)带动所述的样品移动平台(9)运动，使所述的待测光学元件(5)按需求的轨迹运动，所述的计算机(8)经第二运动控制卡(16)控制第二电机驱动器(17)驱动第二步进电机(18)带动所述的探测装置移动平台(10)运动，使所述的成像透镜组(6)和CXD探测器(7)整体运动，与所述的待测光学元件(5)的运动相配合，以消除离焦现象。
3.根据权利要求2所述的光学元件体内激光损伤探测装置，其特征在于所述的成像透镜组(6)为大景深、高分辨率的成像透镜组。
全文摘要
一种光学元件体内激光损伤在线探测方法和装置，应用Nd:YAG脉冲激光辐射光学元件引起元件体内损伤，采用HeNe连续激光照亮体内测试区域，设计大景深、高分辨率的成像装置将测试区域成像在探测器上，并从侧面监测体内区域从而削弱表面散射光的影响，对比Nd:YAG激光辐射前后探测区域图像的变化判断损伤是否产生。同时为了避免因样品移动带来的光程变化，采用自动化控制技术整体移动损伤探测装置补偿光程变化，消除离焦现象，提高损伤探测的准确性。该探测方法可在线观测体内损伤的产生和发展过程，适用于各类光学元件体内损伤的在线监测，且灵敏度和可靠性较高。
文档编号G01N21/17GK102841055SQ20121030200
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者胡国行, 赵元安, 李大伟, 刘晓凤, 柯立公 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
