一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置

摘要

本发明提供了一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置，其包括激光电源(1)、激光器(2)、光束整形器(3)、偏振能量调节器(4)、聚焦透镜(5)、分光镜(6)、成像光学系统(7)、图像传感器(8)、光电探测器(9)、能量探测器(10)、图像采集卡(11)、光电处理电路(12)、能量采集处理电路(13)、能量调节控制器(14)、样品台(15)、运动控制卡(16)和上位机(17)；采用偏振能量调节方式来调节辐照在被测样品上表面激光脉冲能量，调节方便；采用能量均匀分布的激光光斑辐照来诱导被测样品表面损伤，准确地反映了被测样品表面损伤阈值。该测量装置自动化程度高，使用快捷、方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置，属于激光测试技术领域。

背景技术

强激光对光学薄膜的破坏制约着激光向高功率、高能量发展，也是影响光学薄膜稳定性、可靠性和使用寿命的重要因素。随着高功率、大能量激光器出现，以及激光调Q技术和锁模技术的发展，强激光对光学薄膜的破坏频繁发生，激光对光学元件及其薄膜的损伤成为人们所关注的热点，而准确、高效地测试激光薄膜损伤阈值是提高激光薄膜抗损伤能力的先决条件。九十年代以来，形成了ISO11254光学薄膜激光损伤阈值定量测试标准。1996年我国相关部门根据上述测试标准颁布了相应的国标GB/T16601-1996光学表面激光损伤阈值测试方法，并于1997年4月起推广实施1-on-1测试标准。

目前关于激光损伤阈值的测量主要是用手动方式操作激光器、衰减系统和样品来实现。利用未经过光束整形的激光束直接辐照光学薄膜，激光束光场强度分布服从高斯函数形式分布，辐照激光光斑的中心强度大，边缘相对较弱，光斑中心位置易于导致薄膜的损伤，损伤薄膜面积包络的激光脉冲能量小于实际能量，测量偏差较大。

发明内容

为准确测量光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值，本发明提供了一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置。该装置基于平顶高斯光束诱导光学薄膜和光电器件表面损伤，准确的反映了光学薄膜和光电器件表面损伤阈值，且该装置易于自动控制。

如附图1所示，本发明提供的一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置包括激光电源1、激光器2、光束整形器3、能量调节器4、聚焦透镜5、分光镜6、成像光学系统7、图像传感器8、光电探测器9、能量探测器10、图像采集卡11、光电处理电路12、能量采集处理电路13、能量调节控制器14、样品台15、运动控制卡16和上位机17；其中激光电源1为脉冲触发式高压电源，分别与上位机17和激光器2相连接，在上位机17的控制下向激光器2供电，激光器2发出的激光束依次经过光束整形器3、能量调节器4和聚焦透镜5后入射到分光镜6表面，部分激光束被分光镜6反射后辐照到被测样品表面，另一部分激光束穿过分光镜6被能量探测器10接收，能量采集处理电路13对能量探测器10获得的激光脉冲能量信息进行处理并传送给上位机17；被测样品表面透过分光镜6被成像光学系统7成像在图像传感器8的探测面上，图像采集卡11对图像传感器8获得的图像信息处理并传送给上位机17进行损伤薄膜面积的测量；能量探测器10表面对入射激光的散射光被光电探测器9接收，光电处理电路12将光电探测器9获得的电信号处理后传送给上位机17进行显示；

所述的激光器2为脉冲运转激光器，发射波长优选1064nm、532nm或355nm，其发射脉冲激光的最大重复频率为10Hz，脉冲宽度为10ns，其发射的激光脉冲用于辐照被测样品；

所述的光束整形器3为折射式非球面伽利略望远型光学系统，其由一个非球面负透镜和一个正透镜及机械夹具构成，其中的光学元件表面镀制对激光器2发射激光波长的增透膜，位于激光器2输出激光束的光路中，并与激光束同光轴，用于对激光器2输出的光束进行整形，从而获得平顶高斯光束分布辐射光斑；

如附图2所示，所述的平顶高斯光束为光强分布曲线中心部位附近平坦的高斯光束辐射光斑，90%以上的能量集中在光强平顶分布部分；

所述的能量调节器4优选机械旋转式、电光式或磁光式能量调节器，其中的光学元件表面镀制对激光器2发射激光波长的增透膜，位于激光光路中，并在光束整形器3的右侧，根据能量调节控制器14的控制信号来调节作用在样品表面的激光脉冲能量；

所述的聚焦透镜5为平凸透镜，其焦距优选200mm，表面镀制对激光器2发射激光波长的增透膜，与激光束同光轴，用于对从能量调节器4出射的激光束进行汇聚；

所述的分光镜6为平面镜，表面镀制对45度入射激光波长的分光膜，反射光和透射光强度比例为24:1，对45度入射可见光的增透膜，与入射激光光路呈45度角放置，用于实现辐射样品光路、能量探测光路和样品表面成像光路的分离；

所述的成像光学系统7为相机镜头，放大倍率范围优选1~10，其中光学元件表面镀制可见光的增透膜，对激光器2发射波长的高反射膜，位于图像传感器8与分光镜6之间，用于将被测样品表面成像到图像传感器8的探测面上，同时阻挡激光波长进入图像传感器8；

所述的图像传感器8优选CCD相机或CMOS相机，用于将薄膜的光学图像转换为电子图像信号，图像采集卡11根据上位机17的控制指令采集和处理图像传感器8获得的电子图像信号，并将该信号传输给上位机17进行处理；

所述的光电探测器9优选硅光电二极管或硅光电三极管，其探测面朝向能量探测器10的探测面，用于探测能量探测器10探测面散射的激光脉冲信号，光电处理电路12根据上位机17的控制指令采集和测量光电探测器9获得的脉冲信号，并将脉冲宽度测量结果传送给上位机17；

所述的能量探测器10为热释电探测器件，与聚焦透镜5关于分光镜6对称放置，用于接收入射到其探测表面的激光能量，能量采集处理电路13根据上位机17的控制指令来采集能量探测器10获得的激光脉冲能量信息，依据分光镜6对激光波长的分光比例，对激光脉冲能量进行标定、记录和运算，并将该信号传输给上位机17进行处理；

所述的样品台15为XY二维运动台，其在运动控制卡16的控制下带动被测样品作二维运动，以满足不同脉冲能量辐照被测样品不同位置的记录要求； 

所述的上位机17为工控计算机，用于向激光电源1、图像采集卡11、光电处理电路12、能量采集处理电路13、能量调节控制器14和运动控制卡16发送控制指令，同时将获得的激光脉冲能量与损伤薄膜的面积相除来获得辐照在被测样品表面的激光脉冲能量密度，根据样品表面损伤概率拟合出样品表面激光损伤阈值，数字输出激光脉冲宽度、辐照到样品表面的激光脉冲能量、样品表面损伤面积及激光损伤阈值。

有益效果：本发明采用平顶高斯光束诱导光学薄膜和光电器件表面损伤，表面损伤面积等于辐射激光光斑面积，准确的反映了光学薄膜和光电器件表面的损伤阈值，而且该测量装置自动化程度高，使用快捷、方便。

附图说明

图1是一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置示意图。

图2是平顶高斯光束归一化光强分布示意图。

图中：1-激光电源，2-激光器，3-光束整形器，4-能量调节器，5-聚焦透镜，6-分光镜，7-成像光学系统，8-图像传感器，9-光电探测器，10-能量探测器，11-图像采集卡，12-光电处理电路，13-能量采集处理电路，14-能量调节控制器，15-样品台，16-运动控制卡，17-上位机。

具体实施方式

实施例1 一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置。

如附图1所示，本发明提供了一种光学薄膜和光电器件表面激光损伤阈值测量装置包括激光电源1、激光器2、光束整形器3、能量调节器4、聚焦透镜5、分光镜6、成像光学系统7、图像传感器8、光电探测器9、能量探测器10、图像采集卡11、光电处理电路12、能量采集处理电路13、能量调节控制器14、样品台15、运动控制卡16和上位机17；其中激光电源1为脉冲触发式高压电源，分别与上位机17和激光器2相连接，在上位机17的控制下向激光器2供电，激光器2发出的激光束依次经过光束整形器3、能量调节器4和聚焦透镜5后入射到分光镜6表面，部分激光束被分光镜6反射后辐照到被测样品表面，另一部分激光束穿过分光镜6被能量探测器10接收，能量采集处理电路13对能量探测器10探测的激光脉冲能量信息处理并传送给上位机17；被测样品表面透过分光镜6被成像光学系统7成像在图像传感器8的探测面上，图像采集卡11对图像传感器8获得的图像信息处理并传送给上位机17进行损伤薄膜面积的测量；能量探测器10表面对入射激光的散射光被光电探测器9接收，光电处理电路12将光电探测器9获得的电信号处理后传送给上位机17进行显示；

所述的激光器2为脉冲运转激光器，发射波长为1064nm，532nm或355nm，其发射脉冲激光的最大重复频率为10Hz，最大激光脉冲能量为500mJ，激光脉冲宽度为10ns，其发射的激光脉冲用于辐照被测样品；

所述的光束整形器3为折射式非球面伽利略望远型结构，通光孔径为15mm，其中的光学元件表面镀制对激光器2发射激光波长的增透膜，透射率大于99%，其位于激光器2输出激光束的光路中，并与激光束同光轴，用于对激光器2输出的光束进行整形，从而获得平顶高斯光束分布辐射光斑；

如附图2所示，所述的平顶高斯光束为光强分布曲线中心部位附近平坦的高斯光束辐射光斑，90%以上的能量集中在光强平顶分布部分；

所述的能量调节器4为机械旋转式，由两个偏振片所构成的起偏器和检偏器组合，其中的光学元件表面镀制对激光器2发射激光波长的增透膜，透射率大于99.5%，位于光束整形器3右侧，能量调节控制器14控制检偏器绕光轴旋转来调节作用在样品表面的激光脉冲能量； 

所述的聚焦透镜5为平凸透镜，直径为20mm，焦距为200mm，表面镀制对激光器2发射激光波长的增透膜，透射率大于99.5%，与激光束同光轴，用于对从能量调节器4出射的激光束进行汇聚；

所述的分光镜6为平面镜，表面镀制对45度入射激光波长的分光膜，反射光和透射光强度比例为24:1，对45度入射可见光的增透膜，与入射激光光路呈45度角放置，用于实现辐射样品光路、能量探测光路和样品表面成像光路的分离；

所述的成像光学系统7为相机镜头，放大倍率为2，其中的光学元件表面镀制可见光的增透膜，透射率大于99%，对激光器2发射波长的高反射膜，反射率大于99%，位于图像传感器8与分光镜6之间，用于将被测样品表面成像到图像传感器8的探测面上，同时阻挡激光波长进入到图像传感器8；

所述的图像传感器8为CCD相机或CMOS相机，探测面尺寸为1/3英寸，用于将薄膜的光学图像转换为电子图像信号，图像采集卡11根据上位机17的控制指令采集和处理图像传感器8获得的电子图像信号，并将该信号传输给上位机17进行处理；

所述的光电探测器9为硅光电二极管或硅光电三极管，脉冲上升时间为47ps，光谱响应范围为400-1100nm，其探测面朝向能量探测器10的探测面，用于探测能量探测器10探测面散射的激光脉冲信号，光电处理电路12根据上位机17控制指令采集和测量光电探测器9获得的脉冲宽度信息，并将脉冲宽度测量结果传送给上位机17；

所述的能量探测器10为热释电探测器件，有效探测口径为25mm，最低能量为50uJ，最高能量100mJ，与聚焦透镜5关于分光镜6对称放置，用于接收入射到其探测表面的激光能量，能量采集处理电路13根据上位机17的控制指令来采集能量探测器10获得的激光脉冲能量信息，依据分光镜6对激光波长的分光比例，对激光脉冲能量进行标定、记录和运算，并将该信号传送给上位机17进行处理；

所述的样品台15为XY二维运动台，其在运动控制卡16的控制下带动被测样品作二维运动，以满足辐照被测样品不同位置的记录要求； 

所述的上位机17为工控计算机，用于向激光电源1、图像采集卡11、光电处理电路12、能量采集处理电路13、能量调节控制器14和运动控制卡16发送控制指令，同时将获得的激光脉冲能量与损伤薄膜的面积相除来获得辐照在被测样品表面的激光脉冲能量密度，根据样品表面损伤概率拟合出样品表面激光损伤阈值，数字输出激光脉冲宽度、辐照到样品表面的激光脉冲能量、样品表面损伤面积及激光损伤阈值。

被测样品表面激光损伤阈值测量过程和步骤如下：

1）将被测样品装夹在样品台15上；

2）开启本测量装置的电源，系统自检，自检完成后进入测量界面；

3）软件界面设置激光器2的发射波长、被测样品尺寸、样品台最大位移量及移动步长，系统自动计算每行测试点数量及行数，点击开始测量；

4）上位机17发指令给激光电源1要求其按照设置的参数工作，同步触发图像采集卡11、光电处理电路12和能量采集处理电路13进行数据采集处理；

5）在最大激光脉冲能量状态，辐照十个不同点，每辐照一个点上位机17发一次指令给运动控制卡16控制样品台15沿X或Y向移动一个步长，软件判断被测样品是否发生损伤，若样品表面无损伤，则超过测量范围，系统提示更换较小焦距的聚焦透镜，若样品表面损伤，记录并显示激光脉冲能量，测量并显示损伤部位面积，计算并显示辐照激光能量密度、损伤概率和脉冲宽度；

6）上位机17发指令给能量调节控制器14控制能量调节器4使输出激光能量约为上次辐照脉冲能量的95%，重复步骤4）至5），直到辐照样品表面不同位置十次未发现样品表面损伤；

7）上位机17软件记录并显示不同激光脉冲能量辐照激光能量密度、损伤概率和脉冲宽度，以激光能量为横轴，损伤几率为纵轴，生成损伤几率与激光能量点的分布图，通过用直线拟合出零损伤几率，计算并显示被测样品的激光损伤阈值。

实施例2 能量调节器4为电光式能量调节器，其由两个偏振片和电光调制器组成，两个偏振片的通光方向一致，电光调制器置于两个偏振片之间，通过能量调节控制器14控制加载到电光调制器上的电压来实现激光脉冲能量的调节，其它同实施例1。

实施例3 能量调节器4为磁光式能量调节器，其由两个偏振片和法拉第旋光器组成，两个偏振片的通光方向一致，法拉第旋光器置于两个偏振片之间，通过能量调节控制器14控制法拉第旋光器上的磁场强度来实现激光脉冲能量的调节，其它同实施例1。