本发明涉及激光晶体缺陷检测领域，尤其涉及一种掺铁激光晶体缺陷检测方法和装置。
背景技术：
中红外波段激光器在人眼安全雷达、激光光谱学、激光医疗、环境监测、激光通信、激光对抗等领域具有重要的应用前景。过渡金属fe离子掺杂的znse激光器具有超宽的吸收光谱和荧光光谱，且具有输出焦耳级大能量的潜力，是中红外4～4.5μm波段具有竞争力的新型固体激光光源。其中，大体积、高均匀性掺铁硒化锌(fe:znse)激光晶体是激光器的核心元件。fe:znse晶体是通过将铁或硒化铁掺杂进入硒化锌基质，fe2+部分取代正四面体晶格中心的zn2+离子形成的。
目前，常用的fe:znse晶体制备方法有布里奇曼法和热扩散掺杂法等，在晶体生长过程中，受原料不纯、晶体升华、晶格失配以及环境因素(温度、振动等)的影响，制备的fe:znse晶体难免存在各种缺陷，包括气泡、麻点、裂纹等光学元件常见缺陷(在本专利申请中将其定义为第1类缺陷)和铁离子横向掺杂不均匀(在本专利申请总将其定义为第2类缺陷)专有缺陷。晶体使用过程中，气泡、麻点、裂纹等缺陷对激光能量吸收强，且热扩散能力差，热积累到一定程度形成的热应力极易导致激光晶体的炸裂损伤。而铁离子横向掺杂不均匀将引起泵浦激光吸收不均匀，导致激光增益分布不均匀，容易在晶体内部形成温度梯度，影响激光光束质量(输出激光能量分布均匀性差)。
因此，对掺铁硒化锌激光晶体缺陷检测至关重要。现有已公布的晶体缺陷检测方法较多，比如申请号cn201310101990.3公布的“宝石晶体缺陷自动检测系统及其方法”，申请号cn102854205公布的“用于检测晶体缺陷结构的方法和系统”，申请号96180218.9公布的“表面晶体缺陷的测量方法及装置”等。但上述方法均不能用于鉴别fe:znse晶体缺陷类型是第1类或第2类，而鉴别晶体缺陷类型对于改善晶体生长工艺，获得高质量fe:znse晶体至关重要。
技术实现要素：
为此，本发明提供了一种掺铁激光晶体缺陷检测的技术方案，用以解决现有的掺铁激光晶体缺陷检测方法无法鉴别待测激光晶体类型是第1类或第2类，导致缺陷特征信息检测不精确的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种掺铁激光晶体缺陷检测装置，所述装置包括激光器、限径光阑、镀膜合束镜、镀膜分束镜、激光取样镜、激光功率计、夹持组件、数据采集卡、计算机；
所述激光器包括第一激光器和第二激光器，所述限径光阑包括第一限径光阑和第二限径光阑，所述镀膜分束镜包括第一镀膜分束镜和第二镀膜分束镜；所述数据采集卡包括位置信息采集卡和功率采集卡，所述功率采集卡包括第一功率采集卡、第二功率采集卡、第三功率采集卡、第四功率采集卡、第五功率采集卡；所述激光功率计包括第一激光功率计、第二激光功率计、第三激光功率计、第四激光功率计、第五激光功率计；
所述夹持组件用于夹持待测激光晶体，并能够调节所述待测激光晶体在水平和竖直两个方向上运动；所述位置信息采集卡用于采集的待测激光晶体的位置信息；
所述第一激光器用于发出第一激光，所述第二激光器用于发出第二激光；所述第一激光能够被铁离子吸收，所述第二波长激光不会被铁离子吸收；
第一限径光阑、镀膜合束镜、待测激光晶体沿第一激光光路依次设置，第二限径光阑设置于第二激光的光路上；
所述第一限径光阑用于对第一激光进行限径，所述第二限径光阑用于对第二光进行限径，以使得限径后的第一激光和第二激光的光斑均小于在待测激光晶体表面发生的相邻两次反射或透射光的横向偏移距离；
所述镀膜合束镜用于对第一激光和经过激光取样镜反射的第二激光进行合束，将合束后的激光射入到待测激光晶体表面；所述第一激光功率计用于检测入射到待测激光晶体之前的第一激光的功率值，并通过第一功率采集卡传输给计算机；所述第二激光功率计用于检测入射到待测激光晶体之前的第二激光的功率值，并通过第二功率采集卡传输给计算机；
所述第一镀膜分束镜用于对在待测激光晶体表面发生发射的合束光线进行分束，生成第一分束激光和第二分束激光；所述第三激光功率计用于检测从第一镀膜分束镜透射的第一分束激光的功率值，并通过第三功率采集卡传输给计算机；
所述第二镀膜分束镜用于对在待测激光晶体表面发生透射的合束光线进行分束，生成第三分束激光和第四分束激光；所述第四激光功率计用于检测从第二镀膜分束镜透射的第三分束激光的功率值，并通过第四功率采集卡传输给计算机；所述第五激光功率计用于检测从第二镀膜分束镜反射的第四分束激光的功率值，并通过第五功率采集卡传输给计算机；
所述计算机用于接收第一功率采集卡、第二功率采集卡、第三功率采集卡、第四功率采集卡、第五功率采集卡传输的功率值，以及待测激光晶体的位置信息，计算得到待测晶体表面的缺陷特性信息；所述缺陷特性包括晶体内部缺陷特性信息和晶体铁离子吸收缺陷特征信息。
进一步地，所述装置还包括激光吸能器，所述激光吸能器用于对第二分束激光进行吸收。
进一步地，所述镀膜合束镜的第一端面镀第一激光波长范围的半透半反射膜，第二端面镀第二激光波长范围的高反射膜以及第一激光波长范围的高透射膜。
进一步地，所述镀膜合束镜的第一端面镀第一激光波长范围的半透半反射膜，第二端面镀第二激光波长范围的高反射膜以及第一激光波长范围的高透射膜；所述第一端面为接收第一激光的端面，所述第二光线为接收经过激光取样镜反射的第二激光的端面。
进一步地，所述镀膜分束镜的两个端面镀第一激光波长范围的高反射膜、以及第二激光波长范围的高高透射膜。
进一步地，所述激光取样镜的端面镀第二激光波长范围的高反射膜。
进一步地，所述激光功率计的分辨率在10-6以上。
进一步地，所述待测激光晶体为铁掺杂ii-vi族元素的晶体，包括铁掺杂的硒化锌(fe:znse)、铁掺杂的硫化锌(fe:zns)、铁掺杂的碲化锌(znte)、铁掺杂的硒化镉(fe:cdse)及铁掺杂的硫化镉(fe:cds)中的任意一种。
本发明的发明人还提供了一种掺铁激光晶体缺陷检测方法，所述方法应用于掺铁激光晶体缺陷检测装置，所述装置为如前文所述的掺铁激光晶体缺陷检测装置，所述方法包括以下步骤：
(1)将待测激光晶体安装在夹持组件上；
(2)根据待测晶体厚度设定第一限径光阑和第二限径光阑的孔径大小；
(3)控制激光器开启，通过镀膜合束镜完成第一激光和第二激光的合束调整；
(4)将位置信息采集卡采集的待测激光晶体的位置信息传输给计算机；
(5)将第一功率采集卡采集的入射到待测激光晶体之前的第一激光的功率值、第二功率采集卡采集的入射到待测激光晶体之前的第二激光的功率值、第三功率采集卡采集的从第一镀膜分束镜透射的第一分束激光的功率值、第四功率采集卡采集的从第二镀膜分束镜透射的第三分束激光的功率值、第五功率采集卡从第二镀膜分束镜反射的第四分束激光的功率值传输给计算机；
(6)通过夹持组件移动待测激光晶体的位置，重复步骤(4)和(5),共采集待测激光晶体表面m×n个数据点；
(7)控制计算机对采集的位置信息和功率值进行处理分析，得到待测晶体表面的缺陷特性信息。
进一步地，步骤“控制计算机对采集的位置信息和功率值进行处理分析，得到待测晶体表面的缺陷特性信息”包括：
获取待测激光晶体表面数据点(mi,nj)对应的、波长不会被铁离子吸收的激光的反射功率值pij11以及入射功率值pij10，并计算反射率rij；计算公式如下：
rij＝pij11/pij10
根据反射率rij计算待测激光晶体表面的平均反射率，计算公式如下：
获取待测激光晶体表面数据点(mi,nj)对应的、波长不会被铁离子吸收的激光的透射功率值pij12以及入射功率值pij10，剔除反射面缺陷的影响，计算晶体透过率tij，计算公式如下：
根据透过率tij计算待测激光晶体表面的平均透射率，计算公式如下：
获取待测激光晶体表面数据点(mi,nj)对应的、波长能够被铁离子吸收的激光的透射功率pij21与入射功率pij20，计算晶体透过率tij,计算公式如下：
其中，m×n个数据点r和t的统计结果用于表征晶体内部缺陷特性信息，m×n个点t的统计结果用于表征晶体铁离子吸收缺陷特征信息。
区别于现有技术，上述技术方案的掺铁激光晶体缺陷检测方法和装置，所述装置包括激光器、限径光阑、镀膜合束镜、镀膜分束镜、激光取样镜、激光功率计、夹持组件、数据采集卡、计算机。所述方法将对铁离子强吸收和不吸收的两个波长的检测激光进行合束，并将合束后激光入射到待检测激光晶体上，以及采用激光功率计分别检测两个波长激光在入射至待测激光晶体前、在待测激光晶体表面反射和透射功率。通过对测试的数据进行计算分析，可获得待测激光晶体的缺陷类型及特征，具体是通过激光波长不吸收的功率值表征激光晶体的气泡、麻点、裂纹等缺陷信息，通过激光波长强吸收的透射功率值表征激光晶体横向掺杂不均匀缺陷信息。
附图说明
图1为本发明一实施例涉及的限径光阑的最小尺寸计算的原理图；
图2为本发明一实施例涉及的掺铁激光晶体缺陷检测装置的示意图；
图3为本发明另一实施例涉及的掺铁激光晶体缺陷检测装置的示意图；
图4为本发明一实施例涉及的激光波长与铁离子吸收强度的对应关系图；
图5为本发明一实施例涉及的掺铁激光晶体缺陷检测方法的流程图；
附图标记：
1、第一激光器；2、第二激光器；3、第一限径光阑；4、第二限径光阑；
5、镀膜合束镜；6、激光取样镜；
7、第一激光功率计；71、第一功率采集卡；
8、第二激光功率计；81、功率采集卡；
9、待测试激光晶体；10、夹持组件；101、位置信息采集卡；
11、第一镀膜分束镜；12、第三激光功率计；121、第三功率采集卡；
13、激光吸能器；14、第二镀膜分束镜；
15、第四激光功率计；151、第四功率采集卡；16、第五激光功率计；161、第五功率采集卡；
17、计算机。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图2和图3，本发明提供了一种掺铁激光晶体缺陷检测装置，所述装置包括激光器、限径光阑、镀膜合束镜5、镀膜分束镜、激光取样镜6、激光功率计、夹持组件10、数据采集卡、计算机17；
所述激光器包括第一激光器1和第二激光器2，所述限径光阑包括第一限径光阑3和第二限径光阑4，所述镀膜分束镜包括第一镀膜分束镜11和第二镀膜分束镜14；所述数据采集卡包括位置信息采集卡202和功率采集卡，所述功率采集卡包括第一功率采集卡71、第二功率采集卡81、第三功率采集卡121、第四功率采集卡151、第五功率采集卡161；所述激光功率计包括第一激光功率计7、第二激光功率计8、第三激光功率计12、第四激光功率计15、第五激光功率计16；
所述夹持组件10用于夹持待测激光晶体，并能够调节所述待测激光晶体在水平和竖直两个方向上运动；所述位置信息采集卡101用于采集的待测激光晶体的位置信息。在本实施方式中，夹持组件10为二维可调晶体夹持镜架，包括第一夹片、第二夹片和调节机构，第一夹片和第二夹片相对设置，用于夹持待测激光晶体；调节机构用于调节夹片的倾斜角度以及夹片的坐标位置，从而调节所述待测激光晶体在水平和竖直两个方向上运动。
所述第一激光器1用于发出第一激光，所述第二激光器2用于发出第二激光；所述第一激光能够被铁离子吸收，所述第二波长激光不会被铁离子吸收。如图4所示，当激光的波长范围为2.5-3.1μm时，铁离子对激光具有强烈的吸收；当激光的波长范围为1.5-2.2μm、3.5-14μm两个波段内时，铁离子对激光几乎不吸收。因此，在本实施方式中，第一激光器的波长选择范围为2.5-3.1μm，第二激光器的波长范围选择为1.5-2.2μm、3.5-14μm两个波段。优选的，第一激光器选择连续er:yag激光，激光波长2.9μm，激光平均功率1w；第二激光器b选择连续tm:yag激光，激光波长1.9μm，激光功率1w。
第一限径光阑、镀膜合束镜、待测激光晶体沿第一激光光路依次设置，第二限径光阑设置于第二激光的光路上；
所述第一限径光阑3用于对第一激光进行限径，所述第二限径光阑4用于对第二光进行限径。第一限径光阑3和第二限径光阑4为可调限径光阑，可调限径光阑的功能为调节检测光源的光斑尺寸。当激光入射到待测激光晶体后，激光将在晶体内前后表面形成多次反射和透射。在本实施方式中，限径后的第一激光和第二激光的光斑均小于在待测激光晶体表面发生的相邻两次反射或透射光的横向偏移距离，从而消除激光在晶体表面多次反射/透射对功率测量精度的影响。第一限径光阑3和第二限径光阑4采用金属可调限径光阑，优点在于可根据待测激光晶体的参数调整光阑孔径，且可避免普通非金属材料光阑的激光烧蚀。
可调限径光阑最小尺寸计算方法如下：如图1所示，设待测晶体厚度为d，折射率为n，入射角为a，则：
sin(a)＝n×sin(b)
o1o3＝o2o4＝2×dtan(b)
o3e＝o4f＝cos(a)×o1o3
联立方程可得，可调限径光阑最大尺寸为表达式为：
所述镀膜合束镜5用于对第一激光和经过激光取样镜6反射的第二激光进行合束，将合束后的激光射入到待测激光晶体9表面；所述第一激光功率计7用于检测入射到待测激光晶体之前的第一激光的功率值，并通过第一功率采集卡71传输给计算机；所述第二激光功率计8用于检测入射到待测激光晶体之前的第二激光的功率值，并通过第二功率采集卡81传输给计算机；
所述第一镀膜分束镜11用于对在待测激光晶体表面发生发射的合束光线进行分束，生成第一分束激光和第二分束激光；所述第三激光功率计12用于检测从第一镀膜分束镜11透射的第一分束激光的功率值，并通过第三功率采集卡121传输给计算机。
进一步地，所述装置还包括激光吸能器13，所述激光吸能器13用于对第二分束激光进行吸收。激光吸能器功能为吸收残余激光能量，避免激光污染。
所述第二镀膜分束镜14用于对在待测激光晶体表面发生透射的合束光线进行分束，生成第三分束激光和第四分束激光；所述第四激光功率计15用于检测从第二镀膜分束镜14透射的第三分束激光的功率值，并通过第四功率采集卡151传输给计算机；所述第五激光功率计16用于检测从第二镀膜分束镜反射的第四分束激光的功率值，并通过第五功率采集卡161传输给计算机。
所述镀膜合束镜的第一端面镀第一激光波长范围的半透半反射膜，第二端面镀第二激光波长范围的高反射膜以及第一激光波长范围的高透射膜。
在本实施方式中，所述镀膜合束镜的第一端面镀第一激光波长范围的半透半反射膜，第二端面镀第二激光波长范围的高反射膜以及第一激光波长范围的高透射膜；所述第一端面为接收第一激光的端面，所述第二光线为接收经过激光取样镜反射的第二激光的端面。所述镀膜分束镜的两个端面镀第一激光波长范围的高反射膜、以及第二激光波长范围的高高透射膜。所述激光取样镜的端面镀第二激光波长范围的高反射膜。所述高透射膜的透射率在90％以上，所述高反射膜的反射率在90％以上。
假设待测量晶体厚度5mm，入射角30°，第一激光波长为2.9μm，第二激光波长为1.9μm，运用公式
所述计算机用于接收第一功率采集卡、第二功率采集卡、第三功率采集卡、第四功率采集卡、第五功率采集卡传输的功率值，以及待测激光晶体的位置信息，计算得到待测晶体表面的缺陷特性信息；所述缺陷特性包括晶体内部缺陷特性信息和晶体铁离子吸收缺陷特征信息。为了提高检测精度，在本实施方式中，所述激光功率计的分辨率在10-6以上，优选的，激光功率计可采用高灵敏度光电探测器，其分辨率在10-9以上。
在本实施方式中，所述待测激光晶体为铁掺杂ii-vi族元素的晶体，包括铁掺杂的硒化锌(fe:znse)、铁掺杂的硫化锌(fe:zns)、铁掺杂的碲化锌(znte)、铁掺杂的硒化镉(fe:cdse)及铁掺杂的硫化镉(fe:cds)中的任意一种。
如图5所示，发明人还提供了一种掺铁激光晶体缺陷检测方法，所述方法应用于掺铁激光晶体缺陷检测装置，所述装置为如权利要求1至8任一项所述的掺铁激光晶体缺陷检测装置，所述方法包括以下步骤：
首先进入步骤s101将待测激光晶体安装在夹持组件上；
而后进入步骤s102根据待测晶体厚度设定第一限径光阑和第二限径光阑的孔径大小；
而后进入步骤s103控制激光器开启，通过镀膜合束镜完成第一激光和第二激光的合束调整；
而后进入步骤s104将位置信息采集卡采集的待测激光晶体的位置信息传输给计算机；
而后进入步骤s105将第一功率采集卡采集的入射到待测激光晶体之前的第一激光的功率值、第二功率采集卡采集的入射到待测激光晶体之前的第二激光的功率值、第三功率采集卡采集的从第一镀膜分束镜透射的第一分束激光的功率值、第四功率采集卡采集的从第二镀膜分束镜透射的第三分束激光的功率值、第五功率采集卡从第二镀膜分束镜反射的第四分束激光的功率值传输给计算机；
而后进入步骤s106通过夹持组件移动待测激光晶体的位置，重复步骤s104和s105，共采集待测激光晶体表面mxn个数据点；
而后进入步骤s107控制计算机对采集的位置信息和功率值进行处理分析，得到待测晶体表面的缺陷特性信息。
在某些实施例中，步骤“控制计算机对采集的位置信息和功率值进行处理分析，得到待测晶体表面的缺陷特性信息”包括：
获取待测激光晶体表面数据点(mi,nj)对应的、波长不会被铁离子吸收的激光的反射功率值pij11以及入射功率值pij10，并计算反射率rij；计算公式如下：
rij＝pij11/pij10
根据反射率rij计算待测激光晶体表面的平均反射率，计算公式如下：
获取待测激光晶体表面数据点(mi,nj)对应的、波长不会被铁离子吸收的激光的透射功率值pij12以及入射功率值pij10，剔除反射面缺陷的影响，计算晶体透过率tij，计算公式如下：
根据透过率tij计算待测激光晶体表面的平均透射率，计算公式如下：
获取待测激光晶体表面数据点(mi,nj)对应的、波长能够被铁离子吸收的激光的透射功率pij21与入射功率pij20，计算晶体透过率tij,计算公式如下：
其中，m×n个数据点r和t的统计结果用于表征晶体内部缺陷特性信息，m×n个点t的统计结果用于表征晶体铁离子吸收缺陷特征信息。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。