三波长脉冲激光共同作用下损伤阈值测量装置和装调方法

摘要

本发明公开了一种三波长脉冲激光共同作用下损伤阈值测量装置和装调方法，所述测量装置将三波长激光分离，单独进行能量控制和光束汇聚，再经过与分光系统光程匹配的光束耦合系统确保三波长在时间上同步。利用准直激光、两个通光光阑，三波长光束首先进行初步准直；利用在线显微镜监测各个波长激光对感光相纸的损伤信息，通过激光辐照前后图像的对比分析，计算出不同波长在被测样品上产生的损伤点的中心坐标，以此为参考，先后调节各个波长的光斑位置，直至三波长光斑中心重合。

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件抗激光损伤性能的测试领域，特别是三个波长脉冲激光在时间和空间同步的调整方法，实现不同波长激光共同作用下光学元件损伤阈值的测量。

背景技术

在强激光应用领域，倍频和三倍频分离元件都是在多波长的共同作用下使用，特别是三倍频分离膜，往往受到三个波长脉冲激光的同时辐照，其光学性能和抗激光损伤特性影响着整个系统的正常运行。因此，研究三波长脉冲激光同时辐照下的抗激光损伤性能、了解三波长激光作用机制和耦合损伤机理是高损伤阈值薄膜研究的重要内容之一。当前，国内外已经对光学元件在单波长作用下的损伤性能展开了深入研究，根据不同的应用需求建立了相应的检测规范和标准，目前正在逐步关注双波长激光同时辐照光学薄膜损伤性能的检测的评价，但国内外还没有关于三波长激光同时作用下光学元件损伤性能研究的相关报道。此外，对于三波长高功率脉冲激光的同步耦合调整也是当前的技术难题，对于Nd:YAG激光器，在基频ω₁、倍频ω₂和三倍频ω₃激光的损伤阈值测量中，为了平衡每个波长的输出能量，三个波长在1/e²处的光斑直径通常为0.25～0.45mm，而为了保证三个波长激光在空间上尽可能的同步，需要将光束90％峰值功率区域重合，以确保各自的峰值功率都能够作用在相同位置，从而实现真正意义上的三波长同时辐照。而光束90％峰值功率处的光斑直径大约为50～100μm，因此要求同轴耦合的调节精度＜50μm，而Nd:YAG脉冲激光光斑位置的不确定度约为20μm，这也显著增加了光束调节的难度。

当前，调节多波长同轴耦合的方法通常都是采用CCD相机直接记录每个波长的光斑位置，然后采用步进电机或其它精密调节装置对光斑位置进行微调，以实现多波长光束重合。但由于高功率密度的激光会直接损坏CCD相机，因此需要增加多个高反射元件和中性密度衰减片来衰减激光能量以保护CCD相机。但多个高反射片和中性密度衰减片对不同波长的折射偏移量不同，将元件撤掉后会造成实际的偏离；更为重要的是，不同衰减倍数的衰减片对不同波长的透过率不同，以基频ω₁和三倍频ω₃为例，能够达到10³及以上，迫使不同波长需要不同数量的衰减元件；此外，这种调试环境与真实应用环境存在的差异，都显著增加了测量误差。

发明内容

本发明为了解决上述技术的不足，提供了一种三波长脉冲激光共同作用下损伤阈值测量装置和装调方法，即三波长脉冲激光在时间和空间同步的调整方法。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种三波长脉冲激光共同作用下损伤阈值测量装置，其包括：在光路上依次排列的

主激光器，用于产生三个不同波长的激光光束；

分光系统，用于将三个波长的激光光束分离成三个单个波长的激光光束；

能量调节系统，用于独立调节每个单个波长的激光光束的能量；

电控快门，用于独立控制每个单个波长的激光光束的通过与否；

聚焦透镜，用于独立对每个单个波长的激光光束的聚焦；

光束耦合系统，用于将单个波长的激光光束进行混合；

准直激光和通光光阑，用于对混合后的激光光束初步准直；

脉冲宽度检测系统，用于检测每个波长激光光束的脉冲宽度；

能量检测系统，用于检测每个波长激光光束的能量；

光束质量分析系统，用于检测每个波长激光光束的光束质量；

样品监测和夹持系统，用于夹持并检测被测样品被准直后的脉冲激光辐照后产生的损伤点的光斑的信息。

进一步，所述主激光器，包括：在光路上依次排列的

第一激光器，产生基频激光光束；

二分之一波片，改变基频光束线偏振光的振动方向；

倍频和三倍频晶体，基频光束经倍频和三倍频晶体后产生倍频和三倍频激光。

所述分光系统，包括：在光路上依次排列的

倍频激光光束分离单元，从不同波长的激光光束分离出倍频激光光束；

三倍频激光光束分离单元，从不同波长的激光光束分离出三倍频激光光束。

所述能量调节系统、电控快门、聚焦透镜和光束耦合系统，分别设置于每个单个波长的激光光束的光路上，其中，能量调节系统包括二分之一波片和偏振分光元件。

所述光束耦合系统与分光系统的光程相匹配。

所述被测样品由电动平移台控制；所述被测样品由在线显微镜实时检测。

所述脉冲宽度检测系统采用光电二极管和示波器监控，以检测和判断三个波长的光束在时间上是否同步；所述能量检测系统采用能量计监控；所述光束质量分析系统采用光斑分析仪监控。

所述通光光阑是两个。

不同波长的光束分别由不同的聚焦透镜组汇聚，改变聚焦透镜组的相对位置，可以任意改变不同波长在测量点的光斑直径，实现在相同能量输出下不同激光波长最大能量密度的调节。

利用上述测量装置进行光路调节的方法，包括下列步骤：

①将被测样品安放在测量位置，由在线显微镜对准被测样品，采用暗场照明，拍摄图片；

②激光辐照后，被测样品产生与光斑信息相对应的损伤点，采用在线显微镜拍摄被测样品损伤后的图片；

③通过对激光辐照前后的图片进行比较、处理，计算出损伤点的中心位置，以此来确定激光光斑中心位置；

④依次得到三个波长脉冲激光各自的光斑中心位置，每次测量前利用电动平移台将被测样品移至新位置；

⑤以最短波长激光的中心位置为参考，分别调节光束耦合系统，以此来先后控制另两束激光光束的中心位置，直到和最短波长激光的中心位置重合。

所述被测样品是感光相纸。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明提出了三波长脉冲激光共同作用下损伤阈值测量装置，三波长激光能够在时间上和空间上同步，通过对三波长能量的单独控制、光束的单独汇聚，能够任意调节不同波长在测量点的光斑直径和能量密度比例；本发明还提出了一种三波长脉冲激光光束同轴耦合的调整方法，通过对激光辐照后损伤点图像的处理分析，能够获得不同波长光束中心的坐标，并进行调节，直至重合，实现了在实际的测量环境下对三波长光斑位置直接调节。

附图说明

图1是本发明三波长脉冲激光共同作用下损伤阈值测试装置的示意图。

图2(a)是激光辐照前，被测样品的测量位置在暗场下拍摄的图片。

图2(b)是激光辐照后，被测样品的测量位置在暗场下拍摄的图片。

图2(c)是图2(a)和图2(b)比较分析，进行图像处理。

图2(d)是经过计算，获得损伤点的中心坐标O₃。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

参阅图1，三波长脉冲激光共同作用下损伤阈值测量装置，

其包括在光路上依次排列的第一激光器1，产生基频光束；

二分之一波片2，改变基频光束线偏振光的振动方向，调节二分之一波片2将改变基频激光在经过倍频和三倍频晶体3后的倍频和三倍频转换效率，通过调节二分之一波片2可以获得不同最大输出能量的基频、倍频和三倍频激光；

倍频和三倍频晶体3，基频光束经倍频和三倍频晶体3后产生倍频和三倍频激光；

三倍频激光波束分离单元，包括三倍频激光高反射、基频和倍频激光减反射薄膜4和三倍频激光高反射薄膜6，三倍频激光高反射、基频和倍频激光减反射薄膜4即三倍频分离膜，让三倍频激光高反射、但基频和倍频激光减反射，能够将三倍频激光与其它两个波长分离出来；三倍频激光高反射薄膜6让三倍频激光偏转方向；

倍频激光波束分离单元，包括倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜5和倍频激光高反射薄膜7，倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜5即倍频分离膜，让倍频激光高反射、但基频和三倍频激光减反射，能够将倍频激光与其它两个波长分离出来；倍频激光高反射薄膜7让倍频激光偏转方向；

能量调节系统，包括二分之一波片8-1、8-2、8-3和偏振分光元件9-1、9-2、9-3，分别设置于基频、倍频和三倍频光束的光路上，独立调节每个波长激光的能量；

电控快门10-1、10-2、10-3，分别设置于基频、倍频和三倍频光路上，可独立控制每个波长激光通过与否；

聚焦透镜11-1、11-2、11-3，分别设置于基频、倍频和三倍频光路上，独立对每个光束进行聚焦，以缩小光斑直径，从而提高激光的能量密度；

基频激光高反膜13-1、倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜13-2和三倍频高反射、基频和倍频激光减反射薄膜13-3，分别设置于基频、倍频和三倍频光路上，将基频、倍频和三倍频激光混合在一起，其中，基频激光高反膜13-1和倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜13-2的距离与倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜5和倍频激光高反射薄膜7的距离等距，基频激光高反膜13-1和三倍频高反射、基频和倍频激光减反射薄膜13-3的距离与三倍频激光高反射、基频和倍频激光减反射薄膜4和三倍频激光高反射薄膜6的距离等距；

准直激光12和光阑14-1、14-2，对混合后的激光进行初步准直，采用两个光阑可以在不同位置对光斑直径逐渐缩小的聚焦光束进行限定，提高准直精度；

三波长激光高反射薄膜15-1、光电二极管16和示波器17，三波长激光高反射薄膜15-1将初步准直后的基频、倍频和三倍频的三个波长激光进行反射，并将三光束偏转方向，光电二极管16和示波器17检测由三波长激光高反射薄膜15-1透射的极小部分光束，测量每个波长激光的脉冲宽度；

楔形棱镜18-1、中性密度衰减片19、三波长激光高反射薄膜15-2和光斑分析仪21，楔形棱镜18-1是将光路中的三波长激光分离出一小部分激光，进行光斑质量的测量；中性密度衰减片19是衰减由楔形棱镜18-1分离出来的一小部分激光的能量，以更小的能量进入到光斑分析仪21中；三波长激光高反射薄膜15-2将经中性密度衰减片19衰减的基频、倍频和三倍频的三个波长激光进行反射；光斑分析仪21对经三波长激光高反射薄膜15-2反射的激光进行光束质量检测；

楔形棱镜18-2和能量计20，楔形棱镜18-2是将楔形棱镜18-1分离的激光再分离出一小部分激光，进行能量的测量；能量计20对经楔形棱镜18-2分离出的激光进行能量检测；

被测样品22、电动平移台23和在线显微镜24，被测样品22置于电动平移台23上，从而可以调节被测样品22的位置，同时，经楔形棱镜18-2分离出的激光辐射于被测样品22上，并有在线显微镜24拍摄不同波长作用下被测样品22的损伤图像；其中，楔形棱镜18-1至被测样品22的距离，与楔形棱镜18-1经中性密度衰减片19、经三波长激光高反射薄膜15-2至光斑分析仪21的距离等距；

计算机25，接收激光脉冲宽度、光斑质量、光束能量及显微镜拍摄的损伤图片信息，并进行处理。

三波长脉冲激光时间同步的调整方案如下：

所述的第一激光器1产生的基频光束首先经过二分之一波片2，再经过倍频和三倍频晶体3，产生倍频和三倍频激光，此时三波长激光混合在一起，在时间上同步。三倍频激光高反射、基频和倍频激光减反射薄膜4和倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜5分别对三倍频和倍频激光进行分离以实现各波长的单独控制，并利用不同的聚焦透镜组对光束聚焦；光束耦合系统(包括基频激光高反膜13-1、倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜13-2和三倍频高反射、基频和倍频激光减反射薄膜13-3)再将三波长激光混合在一起，基频激光高反膜13-1和倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜13-2的距离与倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜5和倍频激光高反射薄膜7的距离等距，基频激光高反膜13-1和三倍频高反射、基频和倍频激光减反射薄膜13-3的距离与三倍频激光高反射、基频和倍频激光减反射薄膜4和三倍频激光高反射薄膜6的距离等距，此时三波长光束光程相同，实现时间同步。

验证手段：可以利用超快响应的光电二极管16对三波长光束的脉宽进行同时测定，如果脉宽中心位置重合，则脉宽曲线规则、圆滑呈近似的高斯分布，证明三波长时间同步；若脉宽中心位置偏离，则图像不规则有多峰结构，此时三波长时间未能同步，需要进一步调节。

先参阅图1，三波长脉冲激光光束同轴耦合的调整方案如下：

初步准直：三波长经过光束耦合系统混合在一起，通过准直激光、两个通光光阑，在三波长激光高反射薄膜15-1之前得到初步准直。

参阅图2，精密准直：采用在线显微镜24拍摄不同波长作用下被测样品22的损伤图像，通过对图片进行处理计算出各损伤点的光斑位置，分别调节基频激光高反膜13-1、倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜13-2和三倍频高反射、基频和倍频激光减反射薄膜13-3，直到三个波长的光斑位置重合。

具体步骤如下：

①将被测样品22固定在电动平移台23，在线显微镜24对准脉冲激光辐照被测样品22的位置，采用暗场照明，在激光辐照前拍摄图片，如图2a；

②将三倍频光束的能量密度调制适宜的数值，辐照被测样品22，产生一定尺寸的损伤点，拍摄图片，如图2b；

③将图2b与图2a相减，之后进行滤波、灰度调节、二值化等图片处理，得到图片，如图2c。并根据公式(1)和(2)计算出损伤点的中心位置O₃，如图2d；

$O_{3-x}=\frac{\Sigma (X\times z)}{\mathrm{\Sigma z}}---\left(1\right)$

$O_{3-y}=\frac{\Sigma (Y\times z)}{\mathrm{\Sigma z}}---\left(2\right)$

(X，Y)为图片各个位置的坐标，z为各个位置的像素值。

④类似地，将倍频光束的能量密度调制适宜的数值，辐照被测样品22，产生一定尺寸的损伤点，并对图片进行处理分析，计算得到损伤点中心位置O₂；

⑤以O₃为参考，调节倍频激光高反射、基频和三倍频激光减反射薄膜13-2的相对位置，每次调节后利用电动平移台23移动被测样品22至新位置，重复步骤④获得当前损伤点位置的中心坐标，直到新计算得到的O₂和O₃重合或达到允许的误差范围内，则终止倍频光束的调节；

⑥同样，将基频光束的能量密度调制适宜的数值，辐照被测样品22，产生一定尺寸的损伤点，并对图片进行处理分析，计算得到损伤点中心位置O₁；

⑦以O₃为参考，调节基频激光高反膜13-1的相对位置，每次调节后利用电动平移台23移动被测样品22至新位置，重复步骤⑥获得当前损伤点位置的中心坐标，直到新计算得到的O₁和O₃重合或达到允许的误差范围内，则终止基频光束的调节；

⑧三个波长的激光同时辐照被测样品22，对产生的损伤点进行处理分析，如果出现的光斑不规则或者出现多个光斑形状，则重复步骤④～⑦对倍频和基频的光斑位置进行调节，直到重合，调节结束。这里被测样品是记录损伤点信息的感光相纸。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。