光学元件体内激光损伤自动快速探测装置

摘要

一种光学元件体内激光损伤自动快速探测装置，构成包括：置于移动平台上的待测光学元件；由依次的Nd:YAG激光器和第一聚焦透镜组成的脉冲激光辐射系统；由第一HeNe连续激光器、第二聚焦透镜、第二HeNe激光器和第三聚焦透镜构成的HeNe激光照明系统；由依次的同光轴的孔径光阑、散射光收集透镜组、视场光阑和光电探测器组成的损伤探测系统，所述的光电探测器的输出端与计算机的输入端相连，该计算机的输出端通过数据输出卡与所述的Nd:YAG激光器和移动平台的控制端相连。本发明适于各类光学元件体内损伤的自动快速探测和判断。

说明书

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自动快速探测装 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，特别是体内损伤自动探测技术尤为滞后，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 体内损伤自动探测难度较大。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学元件体内激光损伤自动快速探测装置，适于各 类光学元件体内损伤的自动探测和判断。

本发明的技术解决方案如下：

一种光学元件体内激光损伤探测装置，特点在于其构成包括：置于移动平台上 的待测光学元件；由依次的Nd:YAG激光器和第一聚焦透镜组成的脉冲激光辐射系 统；由第一HeNe连续激光器、第二聚焦透镜、第二HeNe激光器和第三聚焦透镜构 成的HeNe激光照明系统；由依次的同光轴的孔径光阑、散射光收集透镜组、视场光 阑和光电探测器组成的损伤探测系统，所述的光电探测器的输出端与计算机的输入 端相连，该计算机的输出端通过数据输出卡与所述的Nd:YAG激光器和移动平台的控 制端相连；

在所述的计算机的控制下，通过数据输出卡驱动Nd:YAG激光器发出脉冲激光通 过第一聚焦透镜聚焦在待测光学元件体内的测试区域；由第一HeNe激光器和第二 HeNe激光器发出的连续激光分别经第二聚焦透镜和第三聚焦透镜聚焦后倾斜入射到 待测光学元件体内照亮被Nd:YAG激光辐射的测试区域；该测试区域的散射光经所述 的孔径光阑、散射光收集透镜组、视场光阑由所述的光电探测器探测，该光电探测 器的输出端与所述的计算机的输入端相连。

所述的散射光收集透镜组为大景深、高分辨率的收集透镜组。

Nd：YAG激光器发出脉冲激光由聚焦透镜组聚焦在待测光学元件体内，构成一 个Nd：YAG激光辐照区域。由两个HeNe激光器发出的连续激光经聚焦透镜后照亮被 Nd：YAG激光照射区域。所述的HeNe激光经体内测试区域的散射光通过收集透镜装 置聚焦在光电探测器上，光电探测器探测到的待测光学元件散射光强度数据输入所 述的计算机上，该计算机对该数据进行处理判断损伤是否产生。

所述的计算机经运动控制卡控制电机驱动器驱动步进电机带动所述样品匀速移 动。所述的计算机经数据输出卡输出调Q信号控制脉冲激光器输出，所述的计算机 在输出调Q信号之前和之后分别获取数据采集卡采集到的散射光强度信号，比较散 射光强度信号确定损伤是否产生。为了消除样品移动过程中激光辐照区域变化带来 的判断误差，尽量减少两次信号提取的时间间隔，时间间隔控制在1ms以下，从而 降低判断误差。

本发明与在先技术相比较具有以下技术效果：

1.本发明提供一种分辨率～20μm，稳定可靠的体内损伤自动快速探测装置和方 法；

2.可以在匀速运动过程中自动判断损伤，通过控制激光辐照前后散射光信号提 取的时间间隔（<1ms），降低因匀速移动区域变化带来的判断误差。

3.抑制表面散射光的影响，通过控制镜头放大倍率，配合使用孔径光阑和视场 光阑削弱表面散射光对体内探测精度的影响，提高了体内探测的准确度。

附图说明

图1是本发明光学元件体内损伤自动快速探测装置框图

图中：1－Nd:YAG激光器，2－第一聚焦透镜，3－第一HeNe激光器，4－第二 聚焦透镜，5－第二HeNe激光器，6－第三聚焦透镜，7－光学元件，8－样品移 动平台，9－孔径光阑，10－散射光收集透镜组，11－视场光阑，12－光电探测器， 13－计算机，14－运动控制卡，15－电机驱动器，16－步进电机，17－数据输出卡， 18－数据采集卡。

具体实施方式

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。

参阅图1，图1是本发明光学元件体内损伤自动探测装置框图，由图可见，本 发明光学元件体内激光损伤自动探测装置，包含Nd:YAG脉冲激光器1、第一HeNe 激光器3和第二HeNe激光器5。沿该Nd:YAG激光器输出方向依次是第一聚焦透镜2 和待测光学元件7，沿第一HeNe激光器3输出方向依次是第二聚焦透镜4和待测光 学元件7，沿第二HeNe激光器5输出方向依次是第三聚焦透镜6和待测光学元件7， HeNe激光和Nd：YAG激光在光学元件体内近似重合。在与待测光学元件成45°方向 是损伤探测装置，依次是孔径光阑9、散射光收集透镜组10、视场光阑11及光电探 测器12。该光电探测器的输出端与计算机13的输入端相连。该装置光路是：Nd： YAG激光器1发出脉冲激光由第一聚焦透镜2聚焦在待测光学元件7体内，构成一 个Nd：YAG激光辐照区域。由两个HeNe激光器3、5发出的连续激光经聚焦透镜照 亮被Nd：YAG激光照射区域。所述的HeNe激光经体内测试区域的散射光通过收集透 镜装置10收集在光电探测器12上，光电探测器12检测到的待测光学元件7体内散 射光强度数据输入所述的计算机13上，该计算机13对该数据进行处理。

所述的计算机13经运动控制卡14控制电机驱动器15驱动步进电机16带动所 述样品匀速移动。所述的计算机13经数据输出卡17输出调Q信号控制脉冲激光器 1输出脉冲激光，所述的计算机13在输出调Q信号之前和之后分别获取数据采集卡 18采集到的散射光强度信号，比较散射光强度信号确定损伤是否产生。为了消除样 品移动过程中激光辐照区域变化带来的判断误差，尽量减少两次信号提取的时间间 隔，将时间间隔控制在1ms以下，从而降低判断误差。

所述的散射光收集透镜组10为大景深、高分辨率透镜组。

由于第一聚焦透镜2的焦距很长5m，而待测光学元件7（以下简称为样品）的 厚度较薄～10mm，所以在样品体内被辐射区域脉冲激光光斑直径基本相同。激光光 斑的有效直径为0.7mm。

由第一HeNe激光器3和第二HeNe激光器5发出的连续HeNe激光与Nd:YAG激 光在待测光学元件7体内近似重合，经第二聚焦透镜4和第三聚焦透镜6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 倍。

由孔径光阑9、散射光收集透镜组10、视场光阑11、光电探测器12构成损伤 探测系统。散射光收集透镜组10将探测区域的散射光收集在光电探测器12上，由 光电探测器12获取散射光强度信号，然后数据采集卡18读取光电探测器12探测到 的信号，将数据传递给计算机13。损伤探测装置安装在与待测光学元件成45°的侧 面，探测区域长为10mm，这就要求探测装置的景深为～7mm。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5μm，这 就要求透镜组的分辨率小于5μm。为了提高分辨率增大景深，采用六镜片组合，前 三块镜片用于光束准直，后三块镜片用于缩放成像，控制相对孔径增大景深。所述 的收集透镜组的分辨率为1μm，HeNe激光辐照下它能分辨<1μm的损伤点。HeNe激 光辐照下成像透镜组的实际景深为～5mm。探测区域存在一定程度的离焦现象，但是 由于只提取光强信号，少量的离焦不会影响强度信号。相比于体内散射光，表面散 射光会强很多，为了减少表面散射光对体内探测的影响，控制镜头放大率，将大部 分表面散射光控制在光电探测器12的外围，通过孔径光阑9控制通光孔径，视场光 阑11控制探测范围进一步削弱表面散射光对体内探测的影响。

如图1所述，由Nd：YAG激光器1发出的脉宽为8ns、波长为355nm的激光通 过第一聚焦透镜2聚焦在待测光学元件7体内，辐照区域的直径为0.7mm，深度为 10mm（样品厚度），由HeNe激光器3、5发出的连续激光入射到Nd：YAG激光照射区 域，该辐照区域的散射光通过收集透镜组10收集在靶面面积为3.6mm×3.6mm的光 电探测器12上，光电探测器12获取探测区域散射光强度信号，通过判断Nd:YAG激 光辐照前后散射光强度信号的变化判断损伤是否产生。

目前部分损伤测试方法要求样品匀速移动，样品匀速移动过程中，激光辐照前 后探测区域会产生偏差，这就会带来判断误差。为了降低判断误差，本发明采用计 算机13经数据输出卡17输出调Q信号控制脉冲激光器1脉冲输出。所述的计算机 13在调Q信号输出之前和之后分别获取数据采集卡18采集到的散射光强度信号， 比较散射光强度信号确定损伤是否产生，从减少两次信号提取的时间间隔出发降低 判断误差。两次信号提取的时间间隔控制在0.35ms，这段时间内样品移动了 0.33μm。实验证明，目前这套自动快速探测技术引入的判断误差数约为0.1～0.2‰， 即辐照数为10000个时可能引入1～2个判断误差。