本发明涉及光学元件激光损伤测试领域，具体涉及一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统。
背景技术：
高功率激光驱动器要求在长时间范围内稳定工作，或者系统的性能不产生明显降低。但是系统中光学元件受高功率激光辐照以后，很容易产生元件损伤。这种损伤在后续激光脉冲作用下会继续发展，影响高功率激光驱动器的光束输出质量，同时受调制的激光脉冲会造成后续光学元件的破坏，严重时将导致整个系统瘫痪。光学元件的抗激光损伤特性将直接影响整个系统的设计以及系统运行的性能，因而光学元件的激光损伤问题一直是激光向高能量、高功率方向发展的“瓶颈”，同时也是影响整个激光驱动器系统使用寿命的决定性因素之一。因此，光学元件损伤特性研究一直是发展高功率激光系统必须公关的一个课题。
在激光脉冲损伤测试中，根据不同的辐照方式将损伤测试方法分为以下五种：
1-on-1，每个测试点只接受一个激光脉冲辐照，不管出现损伤与否，样品移至下一个测试点，一个能量梯度测试十个点，然后计算损伤概率；
r-on-1，对每个测试点进行能量密度以斜坡式渐增的多次辐照，直到损伤发生记录为损伤阈值，用来探测元件在抗激光损伤方面可达到的最大潜力的方法；
n-on-1，对r-on-1方法的简化，可用n个脉冲以从小到大的顺序以比较分离的能量密度间隔作用于同一测试点；
s-on-1，利用同样能量的多个脉冲作用于同一测试点，因此又被称为多脉冲损伤，用来研究元件在重复频率激光作用下的累积损伤效果；
光栅扫描，
尽管现有的专利技术从不同侧面介绍了激光损伤阈值测试系统，但未见到有专利将同一激光束倍频以后的多波长引入到激光损伤测试中，且测试系统大多只适用于脉宽在纳秒量级的激光器。通过控制不同晶体的匹配角与相应波长的能量调节装置可以实现不同能量比的三种波长激光脉冲作用于样品，从而研究多波长脉冲耦合效应对激光材料损伤的影响。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，该系统不仅包含了以往多种单光束损伤探测系统对各类光学元件激光损伤探测与分析的功能，并且能实时观测光学元件损伤的横向与纵向发展过程，测试系统具有从飞秒到纳秒不同激光脉宽的脉冲激光器，是一种自动化的支持多波长的适用于不同激光脉宽的光学元件激光损伤测试系统，为研究多波长激光与材料耦合相互作用提供实验平台。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，特点在于其构成包括脉冲激光器，该脉冲激光器输出的激光依次经位于倍频干燥箱中的二倍频晶体和三倍频晶体后形成基频、二倍频、三倍频三种波长混合脉冲激光，沿该混合脉冲激光方向依次是第一分光片、第二分光片和第三分光片，在所述的第一分光片的三倍频光输出方向依次是三倍频半波片、三倍频偏振片和第六分光片；在所述的第二分光片的倍频光输出方向依次是二倍频半波片、二倍频偏振片、第五分光片和第六分光片；在所述的第三分光片的基频光方向依次是基频半波片、基频偏振片、第四分光片、第五分光片和第六分光片；经第六分光片输出的主光束经第一取样镜、第二取样镜、第一平凸透镜，最终聚焦在位于三维电控样品台上的待测样品；沿所述的第一取样镜的反射光方向是第一能量探测器，该第一能量探测器的输出端经图像采集卡与所述的计算机的输入端相连；沿所述的第二取样镜的反射光方向依次是反射镜和第二平凸透镜和光束质量分析仪，该光束质量分析仪经所述的图像采集卡与所述的计算机的输入端相连；在所述的第四分光片的出光方向的背面还设有半导体激光器；
纵向成像装置和横向成像装置对准主光束在所述的待测样品的焦点，分别拍摄待测样品损伤点的横向与纵向发展情况，所述的纵向成像装置和横向成像装置通过图像采集卡与所述的计算机相连；白光光源对准所述的三维电控样品台以辅助损伤探测照明；
所述的三倍频半波片、二倍频半波片和基频半波片分别安装在三个旋转安装座上，三个旋转安装座由第一运动控制器控制，该第一运动控制器的输入端与所述的计算机相连；所述的三维电控样品台由第二运动控制器控制，该第二运动控制器的输入端与所述的计算机相连；所述的二倍频晶体和三倍频晶体分别固定在两个运动台上，两个运动台由第三运动控制器控制，该第三运动控制器的输入端与所述的计算机相连。
所述的三倍频半波片、二倍频半波片和基频半波片分别安装在三个旋转安装座上，该三个旋转安装座通过所述的第一运动控制器与所述的计算机相连，以实现单波长、两个波长或三个波长的损伤测试。
所述的脉冲激光器的脉宽调节范围在百飞秒到几纳秒之间，激光波长的调节范围为300nm至1200nm。
所述的三维电控样品台由所述的计算机编程并通过所述的第二运动控制器控制，通过计算机语言编写电机运动程序实现电机移动速度、加速度、水平点数、竖直点数、水平间距、竖直间距的设置，并实现多种不同损伤策略的运动控制算法。
所述的二倍频晶体和三倍频晶体推入与推出光路由计算机编程并通过所述的第三运动控制器驱动电机运动实现控制。
所述的待测样品可以是熔石英、晶体、金属、有机物、光栅或镀膜光学元件。
所述的计算机具有光学元件激光损伤测试设置面板，包括下列子菜单和窗口：
x方向控制子菜单：运动速度、运动加速度、绝对位置、移动间隔、向前移动、向后移动；
y方向控制子菜单：运动速度、运动加速度、绝对位置、移动间隔、向前移动、向后移动；
z方向控制子菜单：移动间隔、向前移动、向后移动；
能量控制子菜单：基频半波片向前移动、基频半波片向后移动、二倍频半波片向前移动、二倍频半波片向后移动、三倍频半波片向前移动、三倍频半波片向后移动；
晶体运动控制子菜单：二倍频晶体移入光路、二倍频晶体移出光路、三倍频晶体移入光路、三倍频晶体移出光路；
损伤测试子菜单：打点数、打点间隔时间、打点行数、打点列数、水平间距、垂直间距、损伤图像保存位置、能量保存位置、s/1测试即单点测试、光栅扫描测试；
横向图像监测显示窗口，显示所述的横向成像装置输出的横向图像；
纵向图像监测显示窗口，显示所述的纵向成像装置输出的纵向图像。
所述的脉冲激光器可采用飞秒、皮秒、纳秒等不同激光脉宽的激光器。
本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：
1.本发明光学元件多波长激光损伤测试与分析系统不仅可满足传统单光束激光损伤测试系统的1-on-1、s-on-1、n-on-1、r-on-1、光栅扫描等激光损伤测试要求，而且可实现同一束脉冲激光不同波长成分合束，实现具有多波长的激光辐照测试，不同波长的脉冲成分比例可以通过改变晶体匹配角和调节半波片所在的能量控制系统来实现。
2.本发明适用于脉宽在飞秒、皮秒、纳秒等不同时段的激光器，通过采用激光脉冲相应波长的反射镜和晶体，系统适用于脉冲激光波长在300nm至1200nm内的激光器。
3.本发明的晶体运动控制台、半波片旋转安装座、三维电控样品台的运动、能量采集与保存和测试过程中损伤图像的采集与处理均可由计算机编程实现协同控制。
4.本发明的电控平移台由计算机编程控制，通过编写电机运动算法程序可实现电机移动速度、加速度、水平间距、竖直间距、水平点数、竖直点数的设置，并实时显示目前打点状态和下一行倒计时。
5.所述的运动平移台控制两块倍频晶体移入与移出光路可由计算机编程实现，进而控制不同波长的脉冲耦合激光作用样品。
6.所述的旋转运动安装座通过运动控制器与主控计算机相连，测试前通过旋转调节半波片来控制相应波长的能量输出。
7.所述的实时采集与分析损伤情况，可通过编写相应的采集与图像分析算法实现损伤测试过程中损伤点的三维形貌的拍照、保存、与关键数据提取。
附图说明
图1是本发明光学元件多波长激光损伤测试与分析系统结构示意图
图2是本发明自动化测试设置面板示意图
图3是利用本发明光学元件多波长激光损伤测试与分析系统对待测样品进行激光损伤测试的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明光学元件多波长激光损伤测试与分析系统示意图，由图1可见，本发明光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，构成包括脉冲激光器1，该脉冲激光器1输出的激光依次经位于倍频干燥箱2中的二倍频晶体3和三倍频晶体4后形成基频、二倍频、三倍频三种波长混合脉冲激光，沿该脉冲激光方向依次是第一分光片5、第一二倍频高反镜6和第三分光片16，在所述的第一分光片5的三倍频光输出方向依次是三倍频半波片9、三倍频偏振片10和第六分光片18；在所述的第二分光片6的倍频光输出方向依次是二倍频半波片11、二倍频偏振片12、第五分光片17和第六分光片18；在所述的第三分光片7的基频光方向依次是基频半波片13、基频偏振片14、第四分光片16、第五分光片17和第六分光片18；经第六分光片18输出的主光束经第一取样镜20、第二取样镜22、第一平凸透镜25，最终聚焦在位于三维电控样品台28上的待测样品；沿所述的第一取样镜20的反射光方向是第一能量探测器21，该第一能量探测器21的输出端经图像采集卡19与所述的计算机33的输入端相连；沿所述的第二取样镜22的反射光依次是反射镜23和第二平凸透镜24和光束质量分析仪27，该光束质量分析仪27经图像采集卡19与所述的计算机33的输入端相连；在所述的第四分光片的出光方向的背面还设有半导体激光器15；
纵向成像装置26和横向成像装置31对准主光束在所述的待测样品的焦点，分别拍摄待测样品损伤点的横向与纵向发展情况，所述的纵向成像装置26和横向成像装置31通过图像采集卡19与所述的计算机34相连；白光光源34对准所述的三维电控样品台28以辅助损伤探测照明；
所述的三倍频半波片9、二倍频半波片11和基频半波片13分别安装在三个旋转安装座上，三个旋转安装座由第一运动控制器8控制，该第一运动控制器8的输入端与所述的计算机34相连；所述的三维电控样品台28由第二运动控制器29控制，该第二运动控制器29的输入端与所述的计算机34相连；所述的二倍频晶体3和三倍频晶体4分别固定在两个运动台上，两个运动台由第三运动控制器32控制，该第三运动控制器32的输入端与所述的计算机33相连。
所述的三倍频半波片9、二倍频半波片11和基频半波片13分别安装在三个旋转安装座上，该三个旋转安装座通过所述的第一运动控制器8与所述的计算机33相连，以实现单波长、两个波长或三个波长的损伤测试。
所述的脉冲激光器1的脉宽调节范围在百飞秒到几纳秒之间，激光波长的调节范围为300nm至1200nm。
所述的三维电控样品台28由所述的计算机34编程并通过所述的第二运动控制器29控制，通过计算机语言编写电机运动程序实现电机移动速度、加速度、水平点数、竖直点数、水平间距、竖直间距的设置，并实现多种不同损伤策略的运动控制算法。
所述的二倍频晶体3和三倍频晶体4推入与推出光路由计算机编程并通过所述的第三运动控制器32驱动电机运动实现控制。
所述的待测样品可以是熔石英、晶体、金属、有机物、光栅或镀膜光学元件。
参见图2，所述的计算机33具有光学元件激光损伤测试设置面板，包括下列子菜单和窗口：
x方向控制子菜单35：运动速度36、运动加速度37、绝对位置38、移动间隔39、向前移动40、向后移动41；
y方向控制子菜单42：运动速度36、运动加速度37、绝对位置38、移动间隔39、向前移动40、向后移动41；
z方向控制子菜单43：移动间隔65、向前移动66、向后移动67；
能量控制子菜单44：基频半波片向前移动45、基频半波片向后移动46、二倍频半波片向前移动68、二倍频半波片向后移动69、三倍频半波片向前移动70、三倍频半波片向后移动71；
晶体运动控制子菜单47：二倍频晶体移入光路48、二倍频晶体移出光路49、三倍频晶体移入光路50、三倍频晶体移出光路51；
损伤测试子菜单52：打点数53、打点间隔时间54、打点行数55、打点列数56、水平间距57、垂直间距58、损伤图像保存位置59、能量保存位置60、s/1测试即单点测试61、光栅扫描测试62；
横向图像监测显示窗口63，显示所述的横向成像装置31输出的横向图像；
纵向图像监测显示窗口64，显示所述的纵向成像装置26输出的纵向图像。
本发明光学元件多波长激光损伤测试与分析系统可支持同一激光脉冲做多波长辐照，且系统适用于不同激光脉宽，系统可实现自动化控制。下面是实施例结构和具体参数：
该实施例由nd:yag脉冲激光器1发出脉宽8ps，峰值能量10mj，波长1064nm，频率1hz的脉冲激光。脉冲激光经过二倍频晶体3与三倍频晶体4以后入射到第一分光片5，脉冲中三倍频成分经过三倍频半波片9、三倍频偏振片10和第六分光片18到第一取样镜(分光棱镜)20；透射的二倍频光经中心波长532nm的第二分光片6、二倍频半波片11、二倍频偏振片12和第五反射镜17到第一分光棱镜20，基频光经中心波长1064的第三分光片7、基频半波片13、基频偏振片14和第四分光片16到第一取样镜20。半导体激光器15从第四分光片16的背面入射以准直光路。不同波段的能量衰减系统可以用来控制混合主光束中不同波长光的能量比例。合束后的主光束依次经过第一取样镜20、第二取样镜22和第一平凸透镜25，最终聚焦于三维电控样品台28上的待测样品。第二取样镜22从主光路分出的光束依次经中性的反射镜23和第二平凸透镜24聚焦于光束质量分析仪27，该图像采集卡19与所述的计算机34相连，实时显示并记录光斑有效面积。经第一取样镜20从主光路分出的光束辐照第一能量探测器21，该第一能量探测器21经图像采集卡19与所述的计算机33相连。通过测量主光路能量，与第二能量探测器30示数之比，得出主光路与能量测试光路的分光比，即可根据第一能量探测器21的示数实现激光脉冲能量的实时测量及存储。将具有聚光镜和衰减片的高分辨ccd长焦距成像装置26和高分辨率ccd横向成像装置31与主控计算机33的图像采集卡19相连，实现损伤测试的过程图像的实时监控，并实现损伤过程的录像以及损伤图样的保存与分析。所述的纵向成像装置26以与主光束成小角度(<6°)对准主光束焦点，横向成像装置31垂直地对准待测样品的侧面，分别对损伤点纵向发展和横向发展进行观测拍照。调节白光光源24的亮度并以与主光轴成合适夹角辐照光学元件表面，以辅助损伤探测。待测样品加持在三维电控样品台28的支架上，分别将三维电控样品台28的水平轴电机、垂直轴电机和纵向轴电机与电机控制器29相连。
由计算机33通过计算机语言编程制作电机运动算法程序(程序面板见附图2)，运动程序通过thorlabs第一运动控制器8、第二运动控制器29、第三运动控制器32相连，所述的计算机33发出的运动命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式送到第二运动控制器29并驱动电机，配合机械传动装置以得到确定的位置、速度、加速度、减速度，即特定的运动形式。
所述的脉冲激光器1为自主搭建的皮秒激光器，可实现脉宽8.6ps，峰值能量10mj的1064nm皮秒脉冲。
所述的二倍频晶体3为10mm×10mm×5mmⅰbbo晶体。所述的三倍频晶体4为10mm×10mm×5mmⅱbbo晶体。
所述的第一分光片5、第一二倍频高反镜6、第三分光片7、第四分光片16、第五分光片17和第六分光片18为50mm×50mm×5m棱镜，分别称为第一、第二、第三、第四、第五和第六分光镜，第一和第六分光镜与入射激光光路呈45°角放置，所述的第一与第六分光镜表面镀有45°，中心波长351nm高反、532nm与1064nm高透的分光膜，第二与第五分光镜表面镀有45°，中心波长532nm高反、1064nm高透的分光膜，第三与第四分光镜表面镀有45°，中心波长1064nm高反分光膜。第一取样镜、第二取样镜和第七反射镜为普通的平板玻璃，表面没有镀任何类型的膜层。前表面取光率约为4％。。
所述的三倍频半波片9、二倍频半波片11和基频半波片13分别为中心波长1064nm、532nm、351nm的thorlabs零级半波片，其有效通光口径10mm，可装夹于thorlabs连续旋转安装座上实现电机驱动控制。
所述的三倍频偏振片和二倍频偏振片10、12为thorlabs的glan-laser方解石偏振器，表面镀有中心波长1064nm、532nm增透膜，有效通光口径10mm。基频偏振片14为thorlabs的α-bbo格兰激光偏振棱镜，表面镀有中心波长351nm的增透膜，有效通光口径为10mm。三块偏振器固定安装于高精度手动旋转安装座中，实验中用来调节输出激光的偏振态。
所述的线性平移台为thorlabs100mm行程nrt100步进电机平移台。电机驱动器为thorlabs公司的apt三通道步进电机控制器bsc203。支持三通道电机独立或联动运动控制。
所述的第一平凸透镜21和第二平凸透镜22直径30mm，焦距50cm，表面镀有中心波长1064nm、532nm、351nm的增透膜，透射率大于99.5％。
所述的光束质量分析仪27为ophir公司的camera-based光束质量分析仪。
所述的第一能量探测器21为ophir公司的novaii第一能量探测器，有效探测口径为25mm，有效探测能量范围为50μj至20j，具有数据输出功能。
所述的纵向成像装置26是高分色ccd成像装置，放大倍率为100倍，焦距为500mm，显示区域为2.5mm×2mm。所述的横向成像装置31是高分辨路彩色ccd成像装置，放大倍率为400倍，显示区域为2.5mm×2mm。
所述的电机运动控制程序设置面板如图2所示。由图2可见，通过三维移动控制子菜单35、42、43在实验前对电机速度、加速度、移动间隔进行设置，同时在实验之前通过“forward”66与“backward”67按键对样品台上的样品进行移动，以选择合适的初始打点位置。通过能量控制子菜单“energymotion”44可以旋转基频、二倍频、三倍频半波片，结合后端的偏振片控制不同波长成分脉冲在主光束中的能量比例。通过晶体控制子菜单“crystalmotion”47可以将二倍频晶体与三倍频晶体移入移除主光路，用来实现不同波长成分的混合实验。通过损伤测试子菜单“teststrategy”52对所述的不同损伤测试方法相关参数进行设置。“shots”栏53用来设置当前损伤测试的发次，单发次损伤测试是此栏为“1”。“delay”栏54用来设置激光器的脉冲延时。“row”栏55设置本次测试总行数，“column”栏56设置本次测试总列数。“xinterval”栏57设置水平测试点间距，“yinterval”栏58设置垂直测试点间距。“imagestorage”栏59设置损伤过程中损伤点图像位置。“energyfile”栏60设置损伤测试过程中能量计采集数据保存位置。“s/1”按钮61对样品进行s/1损伤策略测试，“scanning”按钮62对样品进行光栅烧苗损伤策略测试。“transverseimage”子窗口63实时显示横向采集系统26采集到的损伤点横向发展照片，“longitudinalimage”子窗口64实时显示纵向采集系统31实时采集到的损伤点纵向发展照片。
所述的待测光学元件可以是熔石英、晶体、金属、有机物和光栅等光学元件。镀膜光学元件同样可以使用本实验平台来研究其表面损伤性质。
当所述的能量控制系统将另外两个波长的脉冲光全部衰减时，该系统可作为单光束激光损伤阈值测试系统使用，即该系统具有极强的兼容性。
参见图3，图3是利用本发明光学元件多波长激光损伤测试与分析系统对待测样品进行激光损伤测试的流程图。被测样品激光损伤阈值测试与分析过程和步骤如下：
1)打开nd:yag脉冲激光器1及其水箱，预热激光器30分钟；
2)打开计算机33的电源，半导体激光器15的电源，第二运动控制器29即步进电机驱动器的电源，安置所述的三倍频半波片9、二倍频半波片11和基频半波片13的旋转安装平台的电源，纵向成像装置26和横向成像装置31的电源，白光光源34的电源，打开光束质量分析仪软件beamview进行光束质量监测；
3)利用半导体激光器15对光路进行准直，打开损伤测试平台程序进行电机、能量计、ccd图像设备、旋转安装座平台初始化设置；
4)将二倍频晶体3与三倍频晶体4通过控制软件中“crystalmotion”部分移入光路中，然后调节两块晶体的倍频角，使输出光路中三种不同波长的脉冲光的比例为1:1:1；
5)通过软件中“energymotion”来控制主光束中三种不同波长脉冲的比例；
6)用第一能量探测器21置于第一平凸透镜21后测量主光路能量，并读取第二能量探测器30的能量值，记录分光比；
7)将待测样品装夹在三维电控样品台28上，微调所述的纵向成像装置26和横向成像装置31的位置，使待测样品成像清晰；
8)根据测试要求，在计算机的电机运动控制程序设置面板上进行设置，在控制程序中，通过三维度运动控制的子菜单将待测样品移动到待测位置；
9)在“teststrategy”损伤策略子菜单中，进行发次、延迟时间、水平(垂直)点数、水平(垂直)间距、图像存储位置、能量记录文件位置设置；
10)点击“teststrategy”中的两种测试方式按钮，系统将会按照预设程序算法进行损伤测试，脉冲激光辐照样品，通过对比激光辐照前后高分辨ccd成像画面判断损伤与否，并记录相应损伤点横向与纵向损伤图像以及能量计测试的能量。光束质量分析软件记录光束形貌及有效光斑面积；
11)所述的计算机33根据步骤10)的样品损伤情况，调节所述的三倍频半波片9、二倍频半波片11和基频半波片13以改变下一行脉冲激光能量，由激光脉冲能量除以光斑有效面积得出激光能量密度；以激光能量密度为横轴，以损伤几率为纵轴，得到光学样品激光损伤几率曲线，通过相应方法拟合出零损伤几率，计算被测样品的激光损伤阈值；
12)实验后，实时保存得到的损伤点横向与纵向损伤形貌图，分析得到损伤点三维信息，同时根据不同发次之间的关系，得到整个损伤测试过程三维信息的发展情况，用以研究在线待测样品的损伤发展信息。