利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置及方法。本发明采用将入射激光分束后，一束作为主激光另一束倍频后作为探测光；主激光入射至反射镜样品表面，若损伤则表面产生等离子体；探测光的一部分携带等离子体信息，携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息部分进行干涉产生干涉条纹，通过延时光路改变探测光的延时，探测主激光过后不同时刻的干涉图样，得到主激光入射到反射镜样品上后产生的等离子体的演化过程，反演得到反射镜样品的损伤情况；本发明实时监测不同能量不同功率密度情况下飞秒激光对0°反射镜的损伤情况，可用于光学镀膜领域中损伤阈值的测量，对飞秒反射镜损伤阈值的提高方法改进有指导性意义。
【专利说明】
利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学测量领域，具体涉及一种利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值 的测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 飞秒激光与物质的相互作用是近来研究热点之一，特别是应用于惯性约束核聚变 (ICF)点火、激光加速粒子方面，1960年美国人Maiman才发明了第一台红宝石激光器，1962 年调Q技术的出现使人们获得纳秒(ns)量级的激光脉冲，在1963年激光锁模技术的发明使 得脉宽进入皮秒(ps)量级，此后激光技术的发展较为平缓，直到1985年D. Strickland和 6.]\1〇111'〇提出啁嗽脉冲放大技术(〇1；[印6(1111186 411^)11;1^031:;[011，0?4)使得高功率的小型 台式化激光器的产生成为现实，但随之而来的问题是高功率激光的传输需要损伤阈值较高 的光学元件，特别是用于飞秒激光的反射镜，因此对于反射镜损伤阈值的研究尤为重要，不 同于一般的长脉冲激光(例如皮秒、纳秒等)损伤，飞秒激光的作用时间短，瞬时的损伤不同 于长脉冲作用在反射镜损伤的热扩散过程，主要是激光电场效应损伤，因此实时测量飞秒 激光对反射镜的损伤超快过程必须采用飞秒量级的光来作为探针，飞秒探针光可以探测到 入射激光对反射镜瞬间损伤，产生表面等离子体，探针光经过后可以携带等离子体膨胀过 程、密度分布信息，根据这些信息在此基础上对反射镜膜层进行改进，因此实时测量反射镜 的损伤阈值对之后飞秒激光的传输乃至激光技术的发展有重要意义。
[0003] 在飞秒激光作为探针探测等离子体密度，这主要基于光的干涉原理，等离子体密 度探测中，由于存在等离子体的区域折射率不同于一般光路，引入的微小光程差反映在干 涉条纹中 。Mitsuo Takeda在文章 "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry" 中利用傅里叶变换法 提取干涉图中的相位信息，干涉条纹的强度I(x，y)分布：
[0004]
[0005] A(x，y)表示条纹的背景，B(x，y)为干涉区条纹光强变化振幅，右。和办。分别表示空 间载波频率，
[0006] Φ (x，y)为被测波前的相位分布;将干涉条纹的强度分布作傅里叶变换：
[0007]
[0008] i (X，y)干涉条纹在频域的分布表达式，频域中a (f x，f y)为基频分量，
^包含相位的高频项，将二者之一滤出移到基 频位置，做傅里叶逆变换，得到：
[0009] C(x，y)=b(x，y)exp(i Φ (x，y)) =FFrHt/ (fx，fy))
[0010] C(x，y)为包含相位信息的中间变换项，(^表示探针光经过等离子体区域引入的 相位变化，则I =
[0011] 利用傅里叶变换方法得到的相位信息结合阿贝逆变换得到等离子体区域密度分 布，损伤瞬间可以通过采集到的干涉图得到判断损伤情况。
[0012] Y.Ping等人在文章 "Dynamics of Relativistic Laser-Plasma Interaction on So I i d Targe t s"中发现当激光与固体革EU乍用，产生损伤时由于等离子体面的移动，散射光 谱有一定的偏移，损伤程度不同，光谱的偏移量也不同。
[0013] 在高功率激光输出时，利用半波片改变输出能量较为常见，半波片后为保证偏振 度再加偏振分束片，使得输出光的某一偏振分量完全透过或者反射，这样的组合可以保证 偏振的情况下较为方便的改变输出能量。
【发明内容】
[0014] 基于目前的超快探测过程，根据激光加速实验中入射光谱的移动情况，本发明提 出了一种可以实时监测不同能量不同功率密度情况下飞秒激光对一般反射镜的损伤情况 的测量装置及方法，可用于光学镀膜领域中损伤阈值的测量，并结合干涉测量，从得到的干 涉图像中分析其损伤的物理过程，对飞秒反射镜损伤阈值的提高方法改进有指导性意义。
[0015] 本发明的一个目的在于提出一种利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量 装置。
[0016] 本发明的利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置包括:准直装置、第 一分束片、能量调谐器、主激光调节光路装置、第一透镜、第二透镜、倍频晶体、第三透镜、探 测光调节光路装置、延时光路装置、第二分束片、直角棱镜、〇°反射镜和接收CCD;其中，线偏 振激光经准直装置准直，经过第一分束片，一束光作为主激光到达能量调谐器，经能量调谐 器后保持原来的偏振方向，同时能量改变;经主激光调节光路装置，保证主激光的光斑在反 射镜样品表面的位置不变;经放置在第一平移台上的第一透镜聚焦，调节主激光入射至反 射镜样品上的光斑大小；主激光以〇°角入射至反射镜样品表面;若主激光对反射镜样品产 生损伤，则在反射镜样品的表面产生等离子体;经过第一分束片后另一束光经第二透镜聚 焦到倍频晶体上，出射的倍频光经过第三透镜准直后形成平行光，作为探测光入射至探测 光调节光路装置;探测光经探测光调节光路装置调节后，经延时光路装置调节探测光的延 时;从延时光路装置出射后，探测光以90°角入射至反射镜样品；探测光的光束直径大于反 射镜样品产生的等离子体区域的宽度，经反射镜样品后的探测光一部分携带着等离子体信 息，另一部分未携带等离子体信息；探测光经第二分束片分成两束，一束经过直角棱镜反 射，这一束中携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息部分发生翻折；另一束经0° 反射镜原路返回，两束再次合束，合束后携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息 部分进行干涉产生干涉条纹;经第一滤光片后由接收CCD接收得到不同时刻的干涉图样;反 演得到反射镜样品的损伤程度。
[0017] 准直装置采用一对互相平行的第一和第二全反射镜，实现光路准直。
[0018] 能量调谐器包括旋转玻片和两个偏振反射镜，旋转波片可以改变主激光的偏振方 向，经过两片互相平行的偏振反射镜后，使得主激光为原来的偏振方向，保证了主激光的偏 振度，同时改变能量;主激光的能量可自动调节，实现相同脉宽，相同光斑不同激光能量下 对样品损伤程度的测量。
[0019] 主激光调节光路装置包括一对互相平行的第一和第二部分光反射镜，通过调节第 一和第二部分光反射镜保证主激光入射的光斑在反射镜样品表面移动的位置不变。第一部 分光反射镜后设置能量计，主激光经过第一部分光反射镜后，一部分光透过进入能量计，进 行实时能量监测。第二部分光反射镜后设置滤光片和回光监测CCD，主激光经过第二部分光 反射镜后，一部分光透过经第二滤光片后进入回光监测CCD，接收回光信号。当主激光入射 到反射镜样品上，反射镜样品未被损坏时在背散射光监测处会有基频回光，通过第二滤光 片后在回光监测CCD上监测不到;若反射镜样品损坏，主激光入射后在反射镜样品表面瞬间 产生等离子体，背散射光中混有其他频率光，经过第二滤光片后在回光监测CCD上可以监测 到亮斑。第二滤光片采用基频光滤光片。
[0020] 第一透镜放置在第一平移台上，第一平移台沿垂直于反射镜样品表面的方向一维 移动，以调节第一透镜与反射镜样品表面之间的距离，从而调节主激光入射至反射镜样品 上的光斑大小，因此可以任意改变光斑的大小。
[0021] 主激光以0°角入射至反射镜样品表面，反射镜样品为0°反射镜。
[0022] 入射的线偏振激光经第一分束片后，分成两束，一束光作为主激光，另一束光倍频 后作为探测光，避免了主激光基频光的干扰，测量到的干涉图背景很低。
[0023]倍频晶体采用偏硼酸钡BBO晶体、磷酸二氢钾KDP和三硼酸锂LBO中的一种，从倍频 晶体出射后的倍频光作为探测光。
[0024]探测光调节光路装置包括互相垂直的第四和第五全反射镜，探测光经第四和第五 全反射镜准直后以90°角入射至反射镜样品表面。
[0025]延时光路装置包括互相垂直的第六和第七全反射镜，互相垂直的第六和第七全反 射镜固定在第二平移台上，通过沿平行于光路方向一维移动平移台，从而改变探测光的延 时，探测到主激光入射到反射镜样品表面后产生的等离子体在一定时间尺度内的演化过 程，在飞秒、皮秒和纳秒后的不同反应，主激光入射至反射镜样品表面后的不同时刻探针光 经过，可以在接收CCD中得到不同时刻的干涉图样。
[0026] 本发明的另一个目的在于提供一种利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测 量方法。
[0027] 本发明的利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量方法，包括以下步骤：
[0028] 1)线偏振激光经准直装置准直，经过第一分束片，一束光作为主激光到能量调谐 器，经能量调谐器后，保持原来的偏振方向，同时能量改变；
[0029] 2)通过主激光调节光路装置，保证主激光的光斑在反射镜样品表面的位置不变；
[0030] 3)通过放置在第一平移台上的第一透镜聚焦，调节主激光入射至反射镜样品上的 光斑大小；
[0031] 4)主激光以0°角入射至反射镜样品表面；
[0032] 5)若主激光对反射镜样品产生损伤，则在反射镜样品的表面产生等离子体；
[0033] 6)经过第一分束片的另一束光经第二透镜聚焦到倍频晶体上，出射的倍频光经过 第三透镜准直后形成平行光，作为探测光入射至探测光调节光路装置;探测光经探测光调 节光路装置调节后，经延时光路装置调节探测光的延时；
[0034] 7)从延时光路装置出射后，探测光以90°角入射至反射镜样品；探测光的光束直径 大于反射镜样品产生的等离子体区域的宽度，经过反射镜样品后的探测光一部分携带着等 离子体信息，另一部分未携带等离子体信息；
[0035] 8)探测光经第二分束片分成两束，一束经过直角棱镜反射，这一束中携带着等离 子体信息部分与未携带等离子体信息部分发生翻折；另一束经0°反射镜原路返回，两束再 次合束，合束后携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息部分进行干涉产生干涉条 纹；
[0036] 9)经第一滤光片后由接收CXD接收得到干涉图样；
[0037] 10)干涉条纹反演得到反射镜样品表面的等离子体分布情况；
[0038] 11)通过延时光路改变探测光的延时，探测主激光入射至反射镜样品表面后不同 时刻的干涉图样，得到主激光入射到反射镜样品上后产生的等离子体的演化过程，反演得 到反射镜样品的损伤情况。
[0039] 其中，在步骤5)中，判定主激光对反射镜样品是否产生损伤具体包括:主激光调节 光路装置包括互相平行的第一和第二部分光反射;第二部分光反射镜后设置滤光片和回光 监测CCD，由反射镜样品表面反射的回光，经过第二部分光反射镜透过后，再经第二滤光片 进入回光监测CCD，接收回光信号，当主激光入射到反射镜样品上，反射镜样品未被损坏时 在背散射光监测处会有较强基频回光，通过滤光片后在回光监测CCD上监测不到;若反射镜 样品损坏，主激光入射后在反射镜样品表面瞬间产生等离子体，背散射光中混有其他频率 光，经过带阻滤光片后在回光监测C⑶上监测到亮斑。
[0040] 在步骤10)中，干涉条纹反演得到反射镜样品的损伤程度，具体包括以下步骤：
[0041 ] i ·确定相位差变化Δφ⑴：
[0042]
[0043] 其中，Δφ(〇表示探测光经过等离子体区域引入的相位差，λ表示探测光波长，e为 等离子体区域的折射率，s表示积分路径，I (X)为积分后得到的光程差变化；
[0044] ii .根据折射率变化值在路径上的积分得到光程差I(X):
[0045:
[0046] 其中，I(X)表示积分后得到的光程差，e(r)表示沿着积分半径的折射率，r沿轴向 做积分时的半径，R等离子体边界区域的积分半径；
[0047] iii.将光程差I(X)作阿贝逆变换，得到相位差与等离子体的折射率的关系，由等 离子体的折射率得到等离子体的密度，进而得到反射镜样品的损伤程度，所以可以利用光 程差的变化得到反射镜样品表面的等离子体分布情况。
[0048] 在干涉图样中如果能测到弯曲的干涉条纹表示反射镜样品的镜面损伤了，若只有 平行的条纹就表示没有损伤，测到的等离子体密度分布能直接看出表面被损伤后的样子。 形成的等离子体的密度大小与主激光入射到反射镜样品表面后形成等离子体的膨胀时间 有关。
[0049] 本发明的优点：
[0050] 本发明采用将入射激光分束后，一束光作为主激光另一束倍频后作为探测光；主 激光入射至反射镜样品表面，若损伤则表面产生等离子体;探测光的一部分携带等离子体 信息，携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息部分进行干涉产生干涉条纹，通过 延时光路改变探测光的延时，探测主激光入射至反射镜样品表面后不同时刻的干涉图样， 得到主激光入射到反射镜样品上后产生的等离子体的演化过程，反演得到反射镜样品的损 伤情况;本发明实时监测不同能量不同功率密度情况下飞秒激光对0°反射镜的损伤情况， 可用于光学镀膜领域中损伤阈值的测量，并结合干涉测量，从得到的干涉图像中分析其损 伤的物理过程，对飞秒反射镜损伤阈值的提高方法改进有指导性意义。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明的利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置的一个实施例 的不意图；
[0052] 图2为本发明的利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置中的探测光分 成两束干涉的局部放大示意图。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0054]如图1所示，本实施例的利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置包括： 互相平行的第一和第二全反射镜1和2、第一分束片3、旋转玻片4结合第一和第二偏振反射 镜6和7构成的能量调谐器、互相平行的第一和第二部分光反射镜8和9、第一透镜10、第二透 镜11、倍频晶体12、第三透镜13、互相垂直的第四和第五全反射镜14和15、互相垂直第六和 第七全反射镜16和17、第二分束片20、直角棱镜21、0°反射镜22和接收CCD29;其中，线偏振 激光经互相平行的第一和第二全反射镜1和2构成的准直装置准直，经过第一分束片3,反射 的90 %的能量作为主激光，经第三全反射镜4反射后到达旋转玻片5，改变偏振方向，经互相 平行的第一和第二偏振反射镜6和7后保持原来的偏振方向，同时能量改变;经互相平行的 第一和第二部分光反射镜8和9构成的主激光调节光路装置，保证主激光经第一透镜10聚焦 后的光斑在反射镜样品表面的位置不变;第一透镜聚焦10安装在第一平移台上，调节主激 光入射至反射镜样品上的光斑大小；主激光以0°角入射至反射镜样品表面;第一部分光反 射镜8有5%的漏光经分束片24反射后进入二阶相关仪25中进行脉宽测量;分束片24透过的 50 %的光进入到能量计26中，进行实时能量监测;第二部分反射镜9具有5 %的漏光，当反射 镜样品19有损伤时，在第二部分反射镜9后安装第二滤光片27和回光监测CCD28,接收回光 信号;经过第一分束片3透射的10%的光经第二透镜11聚焦到倍频晶体12上，出射的倍频光 经过第三透镜13准直后作为探测光平行入射至互相垂直的第四和第五全反射镜14和15构 成的探测光调节光路装置;探测光经探测光调节光路装置准直后，经固定在第二平移台的 互相垂直第六和第七全反射镜16和17构成的延时光路装置调节探测光的延时;从延时光路 装置出射后，探测光以90°角入射至反射镜样品19,即探测光沿着反射镜样品表面经过;如 图2所示，探测光的光束直径大于反射镜样品产生的等离子体区域的宽度，探测光一部分携 带着等离子体信息，另一部分未携带等离子体信息，图2中的黑色圆点代表等离子体信息； 探测光经第二分束片20分成两束，一束经过直角棱镜21反射，并且光束覆盖直角棱镜21的 中线，这一束中携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息部分发生翻折；另一束经 0°反射镜22原路返回至第二分束片20,两束再次合束，合束后携带着等离子体信息部分与 未携带等离子体信息部分进行干涉产生干涉条纹，合束后上半部分和下半部分都可以产生 干涉，接收CCD只接收一部分就可以得到干涉条纹;经第一滤光片23后由接收CCD29接收得 到不同时刻的干涉图样;反演得到反射镜样品的损伤程度。
[0055]最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域 的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修 改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权 利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量装置，其特征在于，所述测量装 置包括:准直装置、第一分束片、能量调谐器、主激光调节光路装置、第一透镜、第二透镜、倍 频晶体、第三透镜、探测光调节光路装置、延时光路装置、第二分束片、直角棱镜、0°反射镜 和接收CXD;其中，线偏振激光经准直装置准直，经过第一分束片，一束光作为主激光到达能 量调谐器，经能量调谐器后保持原来的偏振方向，同时能量改变;经主激光调节光路装置， 保证主激光的光斑在反射镜样品表面的位置不变;经放置在第一平移台上的第一透镜聚 焦，调节主激光入射至反射镜样品上的光斑大小;主激光以0°角入射至反射镜样品表面;若 主激光对反射镜样品产生损伤，则在反射镜样品的表面产生等离子体;经过第一分束片后 另一束光经第二透镜聚焦到倍频晶体上，出射的倍频光经过第三透镜准直后形成平行光， 作为探测光入射至探测光调节光路装置;探测光经探测光调节光路装置调节后，经延时光 路装置调节探测光的延时;从延时光路装置出射后，探测光以90°角入射至反射镜样品；探 测光的光束直径大于反射镜样品产生的等离子体区域的宽度，经反射镜样品后的探测光一 部分携带着等离子体信息，另一部分未携带等离子体信息;探测光经第二分束片分成两束， 一束经过直角棱镜反射，这一束中携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息部分发 生翻折;另一束经0°反射镜原路返回，两束再次合束，合束后携带着等离子体信息部分与未 携带等离子体信息部分进行干涉产生干涉条纹;经第一滤光片后由接收CCD接收得到不同 时刻的干涉图样;反演得到反射镜样品的损伤程度。2. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述准直装置采用一对互相平行的第一 和第二全反射镜。3. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述能量调谐器包括旋转玻片和两个偏 振反射镜，旋转波片改变主激光的偏振方向，经过两片互相平行的偏振反射镜后，使得主激 光为原来的偏振方向，保证了主激光的偏振度，同时改变能量。4. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述主激光调节光路装置包括一对互相 平行的第一和第二部分光反射镜。5. 如权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述第一部分光反射镜后设置能量计， 主激光经过第一部分光反射镜后，一部分光透过进入能量计，进行实时能量监测;所述第二 部分光反射镜后设置滤光片和回光监测CCD，主激光经过第二部分光反射镜后，一部分光透 过经第二滤光片后进入回光监测CCD，接收回光信号。6. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一透镜放置在第一平移台上，第 一平移台沿垂直于反射镜样品表面的方向一维移动。7. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述探测光调节光路装置包括互相垂直 的第四和第五全反射镜。8. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述延时光路装置包括互相垂直的第六 和第七全反射镜，互相垂直的第六和第七全反射镜固定在第二平移台上，第二平移台沿平 行于光路方向一维移动。9. 一种利用飞秒激光实时测量反射镜损伤阈值的测量方法，其特征在于，所述测量方 法包括以下步骤： 1)线偏振激光经准直装置准直，经过第一分束片，一束光作为主激光到能量调谐器，经 能量调谐器后，保持原来的偏振方向，同时能量改变； 2) 通过主激光调节光路装置，保证主激光的光斑在反射镜样品表面的位置不变； 3) 通过放置在第一平移台上的第一透镜聚焦，调节主激光入射至反射镜样品上的光斑 大小； 4) 主激光以0°角入射至反射镜样品表面； 5) 若主激光对反射镜样品产生损伤，则在反射镜样品的表面产生等离子体； 6) 经过第一分束片的另一束光经第二透镜聚焦到倍频晶体上，出射的倍频光经过第三 透镜准直后形成平行光，作为探测光入射至探测光调节光路装置;探测光经探测光调节光 路装置调节后，经延时光路装置调节探测光的延时； 7) 从延时光路装置出射后，探测光以90°角入射至反射镜样品；探测光的光束直径大于 反射镜样品产生的等离子体区域的宽度，经过反射镜样品后的探测光一部分携带着等离子 体信息，另一部分未携带等离子体信息； 8) 探测光经第二分束片分成两束，一束经过直角棱镜反射，这一束中携带着等离子体 信息部分与未携带等离子体信息部分发生翻折；另一束经0°反射镜原路返回，两束再次合 束，合束后携带着等离子体信息部分与未携带等离子体信息部分进行干涉产生干涉条纹； 9) 经第一滤光片后由接收CCD接收得到干涉图样； 10) 干涉条纹反演得到反射镜样品表面的等离子体分布情况； 11) 通过延时光路改变探测光的延时，探测主激光入射至反射镜样品表面后不同时刻 的干涉图样，得到主激光入射到反射镜样品上后产生的等离子体的演化过程，反演得到反 射镜样品的损伤情况。10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，在步骤10)中，干涉条纹反演得到反射 镜样品的损伤程度，具体包括以下步骤： i.确定相位差变化Δ? 〃夂其中，A:(p(t)表示探测光经过等离子体区域引入的相位差，λ表示探测光波长，e为等离 子体区域的折射率，s表示积分路径，I (X)为积分后得到的光程差变化； ii .根据折射率变化值在路径上的积分得到光程差IU):其中，Κχ)表示积分后得到的光程差，e(r)表示沿着积分半径的折射率，r沿轴向做积 分时的半径，R等离子体边界区域的积分半径； iii.将光程差I(X)作阿贝逆变换，得到相位差与等离子体的折射率的关系，由等离子 体的折射率得到等离子体分布情况。
【文档编号】G01M11/02GK105890878SQ201610341121
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】卢海洋, 李荣凤, 高树超, 刘建波, 赵研英, 颜学庆
【申请人】北京大学