一种光热弱吸收测试系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种光热弱吸收测试系统，应用于光学元件的吸收缺陷测试领域，所述光热弱吸收测试系统包括离轴抛物镜、样品台、探测器、探测光源以及多个泵浦光源，所述多个泵浦光源发出的泵浦光的波长不尽相同；所述多个泵浦光源分别发出的泵浦光经所述离轴抛物镜反射后均聚焦到安装在样品台上的待测样品的预设待测点处，所述探测光源发出的探测光也聚焦到所述待测样品的预设待测点处，透过所述待测样品的探测光进入所述探测器，从而得到所述待测样品对所述多个泵浦光源分别发出的泵浦光的吸收。本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统有效地实现了多个波长的泵浦激光共同作用时光学材料表面、亚表面及光学膜层的微弱吸收测试。
【专利说明】
一种光热弱吸收测试系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及光学元件的吸收缺陷测试领域，具体而言，涉及一种光热弱吸收测试系统。
【背景技术】
[0002]光学元件表面、亚表面或膜层吸收缺陷对传输激光的微弱吸收，是目前学界公认的引发元件激光损伤的主要原因。获得元件吸收缺陷对入射光的吸收大小及分布情况，对于评价元件加工水平、损伤性能等具有重要意义。光热弱吸收的方法可以实现对元件吸收缺陷的无损探测，探测灵敏度高，能够满足对透明光学元件微弱吸收缺陷的检测需求。在光学元件的实际应用中，很多元件并非工作在单波长激光的辐照之下，而是会同时传输多个波长的激光，比如倍频晶体、激光增益介质、分色镜等等。这些情况下，材料或膜层同时被多个波长的激光辐照，材料表面、亚表面或膜层中缺陷的吸收行为变得复杂，必然不同于单个波长激光辐照的情况。然而，目前的光热弱吸收设备大部分是工作在单个栗浦波长模式下，无法完成多个波长的激光共同辐照下，材料表面、亚表面或膜层中的缺陷的微弱吸收测试。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种光热弱吸收测试系统，以改善现有的光热弱吸收设备无法实现多个波长的栗浦光共同辐照下，材料表面、亚表面或膜层中的缺陷对多个波长的栗浦光的微弱吸收测试的问题。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下:
[0005]本实用新型实施例提供的一种光热弱吸收测试系统，包括离轴抛物镜、样品台、探测器、探测光源以及多个栗浦光源，待测样品安装在所述样品台上，所述多个栗浦光源发出的栗浦光的波长不尽相同;所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光经所述离轴抛物镜反射后均聚焦到所述待测样品的预设待测点处，所述探测光源发出的探测光也聚焦到所述待测样品的预设待测点处，透过所述待测样品的探测光进入所述探测器。
[0006]本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统，利用离轴抛物镜无色差的特点，通过离轴抛物镜有效地实现了多个栗浦光源发出的激光束均聚焦到待测样品的预设待测点处，进而通过检测透过待测样品的探测光的强度变化得到多个波长的栗浦激光共同辐照下，待测样品的预设待测点处的微弱吸收情况，其中，预设待测点处可以设置于待测样品的表面、亚表面或膜层中。因此，本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统相对于现有的工作在单个栗浦波长模式下的光热弱吸收设备，可以实现多个波长的栗浦激光共同作用时光学材料表面、亚表面及光学膜层的微弱吸收测试，有助于评价工作在多个波长共同辐射下的光学元件如倍频晶体、激光增益介质、分色镜等的加工水平、损伤性能等。
[0007]本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0008]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。
[0009]图1示出了本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统的结构示意图。
[0010]其中，附图标记分别为:
[0011 ]第一栗浦光源110;第一栗浦激光器111;第一光控制模块112;第二栗浦光源120;第二栗浦激光器121;第二光控制模块122;第三栗浦光源130;第三栗浦激光器131;第三光控制模块132;光路调节模块140;第一双色镜141;第二双色镜142;离轴抛物镜150;探测光源210;整形会聚模块220;反射镜230;待测样品300;样品台400;探测器500;滤波模块510;光电转换模块520;信号分析模块530。
【具体实施方式】
[0012]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0013]在光学元件的实际应用中，很多元件并非工作在单波长激光的辐照之下，而是会同时传输多个波长的激光，比如倍频晶体、激光增益介质、分色镜等等。这些情况下，材料或膜层同时被多个波长的激光辐照，材料表面、亚表面或膜层中缺陷的吸收行为变得复杂，必然不同于单个波长激光辐照的情况。鉴于此，本实用新型实施例提供了一种光热弱吸收测试系统，有效地实现了多个波长的栗浦光共同辐照下，材料表面、亚表面或膜层中的缺陷对多个波长的栗浦光的微弱吸收测试。
[0014]如图1所示，本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统包括:离轴抛物镜150、样品台400、探测器500、探测光源210以及多个栗浦光源，待测样品300安装在所述样品台400上，所述样品台400用于调节所述待测样品300的位置，以得到不同的预设待测点处待测样品300对栗浦光的吸收情况。
[0015]优选的，所述预设待测点分布于所述待测样品300的表面、亚表面或膜层中。其中，所述多个栗浦光源发出的栗浦光的波长不尽相同，可以根据用户的实际需要选择所需的栗浦光源，例如高功率激光系统通常涉及的波长1064nm(1053nm)、532nm、355nm(351nm)，或者光纤激光器常用的980nm(915nm)、1053nm，又或者是钛宝石激光器的532nm、800nm等。
[0016]使用本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统测试待测样品的预设待测点处材料的吸收特性时，首先调节栗浦光的光路，使得入射到离轴抛物镜150上的所述多个栗浦光源分别发出的栗浦激光束的预设光轴重合。其中，所述预设光轴与离轴抛物镜150的光轴平行或重合，从而使得所述多个栗浦光源分别发出的栗浦激光束经所述离轴抛物镜150反射后均能聚焦到所述预设待测点处。同时，探测光源210发出的探测光也聚焦到该预设待测点处，且透过所述待测样品300的探测光进入探测器500中。本实用新型实施例中，探测光源可以采用He-Ne激光器。所述探测光在所述预设待测点处的聚焦光斑面积大于所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光在所述预设待测点处的聚焦光斑面积。
[0017]需要说明的是，为了使得探测光的聚焦光斑与经所述离轴抛物镜150反射的栗浦光的聚焦光斑在所述预设待测点处重合，入射到待测样品300上的栗浦光束与探测光束的夹角大于等于5度小于等于15度。所述探测器500用于根据所接收到的探测光得到所述待测样品300对所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光的吸收。
[0018]例如，本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统中，栗浦光源的数量为三个，且分别发出的栗浦光的波长为1064nm、532nm及355nm。当要测试1064nm、532nm及355nm的栗浦光共同辐照下，待测样品300中的缺陷的吸收时，将待测样品300安装在样品台400上，调节样平台的位置，使得三个栗浦光源发出的激光束通过离轴抛物镜150均聚焦到待测样品300表面的预设待测点处，同时，探测光也聚焦到该预设待测点处，待测样品300表面的预设待测点同时吸收1064nm、532nm及355nm的栗浦光的能量从而引起预设待测点处待测样品300的材料受热膨胀，引发热透镜效应，对经过该区域的探测光产生调制，调制强度与热透镜效应的强弱，即材料吸收能量的大小有关。携带着待测样品300的吸收信息的探测光被探测器500接收，探测器500根据所接收到的探测光得到预设待测点处待测样品300对1064nm、532nm及355nm的栗浦光栗浦光的吸收。当然，此时本光热弱吸收测试系统也可以用于测试其中任意两个或任一个波长的栗浦光作用下，待测样品300的微弱吸收测试。
[0019]因此，本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统相对于现有的工作在单个栗浦波长模式下的光热弱吸收设备，可以实现多个波长的栗浦激光共同作用时光学材料表面、亚表面及光学膜层的微弱吸收测试，有助于评价工作在多个波长共同辐射下的光学元件如倍频晶体、激光增益介质、分色镜等的加工水平、损伤性能等。
[0020]进一步的，为了保证入射到离轴抛物镜150的多个不同波长的栗浦光经所述离轴抛物镜150反射后均能聚焦到所述待测样品300的预设待测点处，本实用新型实施例还设置了光路调节模块140，所述光路调节模块140设置于所述多个栗浦光源与所述离轴抛物镜150之间，所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光均入射到所述光路调节模块140，经所述光路调节模块140调节后的所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光的光轴均与预设光轴重合，由所述光路调节模块140出射的栗浦光经所述离轴抛物镜150反射后偏离所述预设光轴聚焦到所述待测样品300的预设待测点处。其中，所述预设光轴与离轴抛物镜150的光轴重合或平行，所述离轴抛物镜150的光轴也就是离轴抛物镜150的中心轴。需要说明的是，当所述预设光轴与离轴抛物镜150的光轴平行时，所述预设光轴与离轴抛物镜150的光轴之间的距离可以为I?10毫米。本实用新型实施例中，为了尽量减小栗浦光聚焦光斑的像差，优选的，所述预设光轴与离轴抛物镜150的光轴重合。
[0021]具体的，本实用新型实施例中，所述光路调节模块140包括双色镜组，且双色镜组中双色镜的具体数量根据栗浦光源的具体数量设置，根据栗浦光源发出的栗浦光的波长设计双色镜的反射波长范围。优选的，双色镜的数量比栗浦光源的数量少一个。本实用新型实施例中，如图1所示，栗浦光源的数量可以为三个，分别为第一栗浦光源110、第二栗浦光源120和第三栗浦光源130，此时，双色镜的数量为两个，分别为第一双色镜141和第二双色镜142。
[0022]如图1所示，第一栗浦光源110发出的栗浦光的波长属于所述第一双色镜141的反射波长范围，第二栗浦光源120发出的栗浦光的波长属于所述第二双色镜142的反射波长范围且第二栗浦光源120发出的栗浦光的波长不属于所述第一双色镜141的反射波长范围，此夕卜，第三栗浦光源130发出的栗浦光的波长不属于第一双色镜141的反射波长范围和第二双色镜142的反射波长范围。此时，第一栗浦光源110发出的激光束经过所述第一双色镜141反射后入射至离轴抛物镜150，第二栗浦光源120发出的激光束依次经过第二双色镜142反射以及第一双色镜141透射后入射至离轴抛物镜150，第三光源发出的激光束依次经过第二双色镜142透射和第一双色镜141透射后入射至离轴抛物镜150。
[0023]进一步的，调节第一双色镜141和第二双色镜142的位置和角度，使得第一栗浦光源110发出的激光束、第二栗浦光源120发出的激光束以及第三栗浦光源130发出的激光束均与所述预设光轴重合，以确保入射到离轴抛物镜150的第一栗浦光源110发出的激光束、第二栗浦光源120发出的激光束以及第三栗浦光源130发出的激光束经所述离轴抛物镜150反射后均能聚焦到所述待测样品300的预设待测点处。当然，本实用新型实施例中，栗浦光源的数量也可以是两个或三个以上。
[0024]另外，本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统还具有调节多个栗浦光源分别发出的栗浦光的能量的功能。本实用新型实施例中，每一个所述栗浦光源均包括栗浦激光器和光控制模块，所述光控制模块用于调节所述栗浦激光器发出的栗浦光的能量，并对所述栗浦激光器发出的栗浦光进行滤波及扩束。其中，栗浦激光器可以是固体激光器、气体激光器等。
[0025]具体的，所述光控制模块包括半波片、线偏振镜、第一透镜组、第一光阑以及第二透镜组，所述半波片、线偏振镜、第一透镜组、第一光阑以及第二透镜组依次耦合。其中，第一透镜组、第一光阑以及第二透镜组用于对透过线偏振镜的激光束进行滤波及扩束，第一透镜组和第二透镜组均可以由透镜组合而成，具有准直会聚的功能，采用透镜组合的方式有助于减小像差。栗浦激光器发出的栗浦光经过所述半波片、线偏振镜调节为预设能量的激光束，所述预设能量的激光束经过第一透镜组、第一光阑以及第二透镜组扩束为预设口径的激光束并经过光路调节模块140入射到离轴抛物镜150，其中，经过所述光路调节模块140后的预设口径的激光束的光轴与预设光轴重合。
[0026]本实用新型实施例中，如图1所示，第一栗浦光源110包括第一栗浦激光器111和第一光控制模块112，第二栗浦光源120包括第二栗浦激光器121和第二光控制模块122，第三栗浦光源130包括第三栗浦激光器131和第三光控制模块132。在同一个栗浦光源中，所述半波片和所述线偏振镜用于调节栗浦激光器发出的栗浦光的能量，转动半波片即可以调节透过线偏振镜的激光束能量。例如，可以通过功率计等光能量探测器件读取每一个栗浦光源输出的激光束的能量，从而分别转动每一个所需的栗浦光源中的半波片，根据所述功率计等光能量探测器件的读数即可分别将每一个所需的栗浦光源输出的激光束的能量调节为用户所需的能量。
[0027]因此，通过半波片和线偏振镜可以根据预设能量比例调节不同栗浦光源发出的栗浦光的能量，可以使其中一个栗浦光源发出的栗浦光能量相对较高，而其它栗浦光源发出的栗浦光的能量相对较低，此时，探测器500测得的预设待测点处待测样品300对多个栗浦光源发出的栗浦光的吸收结果即为能量相对较高的波长的栗浦光占主导作用时，与其它能量相对较低的波长的栗浦光共同作用下，预设待测点处待测样品300对栗浦光的吸收结果。其中，所述预设能量比例根据待测样品300在具体工作状态下所传输的不同波长的激光的能量比例设定。当然，栗浦光源发出的栗浦光的能量也可以通过直接调节栗浦激光器的输出功率的方式来调节。
[0028]当然，为了将探测光也聚焦到待测样品300的预设待测点处，且使得探测光的光斑面积大于栗浦光的光斑面积，如图1所示，本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统还包括整形会聚模块220，所述整形会聚模块220设置于所述探测光源210与所述样品台400之间，所述探测光源210发出的探测光经过所述整形会聚模块220的整形会聚处理后聚焦到所述待测样品300的预设待测点处。具体的，整形会聚模块220可以由会聚透镜组构成，用于将探测光源210发出的探测光扩束后重新聚焦到待测样品300的预设待测点处，且还用于控制聚焦到待测样品300的预设待测点处的光斑面积的大小，确保待测样品300预设待测点的探测光的光斑面积大于栗浦光的光斑面积。
[0029]进一步的，为了优化本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统的结构布局，所述光热弱吸收测试系统还包括反射镜230，反射镜230设置于所述整形会聚模块220与所述样品台400之间，所述反射镜230用于将经过整形会聚模块220整形会聚处理后的探测光反射到所述待测样品300的预设待测点处聚焦。
[0030]另外，本实用新型实施例中，探测器500包括滤波模块510、光电转换模块520和信号分析模块530，滤波模块510、光电转换模块520及信号分析模块530依次耦合。透过待测样品300的探测光经过滤波模块510的滤波处理后进入光电转换模块520，经光电转换模块520转换为电信号。光电转换模块520将所述电信号发送到信号分析模块530，信号分析模块530对所述电信号进行检测并对检测结果进行数据分析，得到预设待测点处待测样品300对栗浦光的吸收特性。
[0031]其中，滤波模块510包括会聚透镜和第二光阑，由所述待测样品300出射的探测光，依次经过所述会聚透镜和所述第二光阑后入射到光电转换模块520。第二光阑可以采用孔径光阑，用于屏蔽除探测光之外的杂散光。优选的，所述第二光阑可以设置在所述会聚透镜的焦平面上。
[0032]光电转换模块520包括光电探测器件，用于将入射的探测光信号转换为电信号。信号分析模块530用于对光电转化模块输出的电信号进行检测与分析，得到由于待测样品300对聚焦到预设待测点处的栗浦光的吸收导致的探测光的能量变化强度，进而获得预设待测点处待测样品300对多个栗浦光源发出的栗浦光的能量吸收。由于栗浦光引发的热透镜效应导致的探测光传播特性的变化量比较小，甚至可能小于探测光本身的噪声波动，因此，所述信号分析模块530包括交流弱信号检测电路，例如，所述交流弱信号检测电路可以为锁相放大器、Boxcar积分器等。需要说明的是，交流弱信号检测电路根据本实用新型实施例中多个栗浦光源的类型设计，当多个栗浦光源发出的栗浦光均为连续激光时，交流弱信号检测电路可以为锁相放大器，当多个栗浦光源发出的栗浦光均为脉冲激光时，交流弱信号检测电路需要采用脉冲信号放大电路。
[0033]此外，为了进一步避免入射到光电转换模块520中的探测光中混杂有除探测光之外的其它波长的杂散光，探测器500还可以包括滤光模块。所述滤光模块设置在待测样品300与滤波模块510之间，用于滤除由待测样品出射的除探测光之外的杂散光，例如，所述滤光模块可以包括中心波长与探测光波长一致的滤光片。
[0034]需要说明的是，本实用新型实施例中，样品台400可以为三维手动调节位移台，也可以是三维电动位移台，可以在相互垂直的三个方向上移动。为了提高测试精度，优选的，所述样品台400采用三维电动平移台，其移动距离和移动方向均通过电脑控制，最小移动步长优选为I微米或百纳米。高精密样品台400有助于实现本实用新型实施例提供的光热弱吸收测试系统对待测样品300吸收特性的高分辨探测。
[0035]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0036]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种光热弱吸收测试系统，其特征在于，包括:离轴抛物镜、样品台、探测器、探测光源以及多个栗浦光源，待测样品安装在所述样品台上，所述多个栗浦光源发出的栗浦光的波长不尽相同；所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光经所述离轴抛物镜反射后均聚焦到所述待测样品的预设待测点处，所述探测光源发出的探测光也聚焦到所述待测样品的预设待测点处，透过所述待测样品的探测光进入所述探测器。2.根据权利要求1所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，还包括光路调节模块，所述光路调节模块设置于所述多个栗浦光源与所述离轴抛物镜之间，所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光均入射到所述光路调节模块，经所述光路调节模块调节后的所述多个栗浦光源分别发出的栗浦光的光轴均与预设光轴重合，由所述光路调节模块出射的栗浦光经所述离轴抛物镜反射后偏离所述预设光轴聚焦到所述待测样品的预设待测点处，其中，所述预设光轴与所述离轴抛物镜的光轴重合或平行。3.根据权利要求2所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，每一个所述栗浦光源均包括栗浦激光器和用于调节所述栗浦激光器发出的栗浦光的能量，并对所述栗浦激光器发出的栗浦光进行滤波及扩束的光控制模块，所述栗浦激光器发出的栗浦光经过所述光控制模块调节后入射到所述光路调节模块。4.根据权利要求3所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，所述光控制模块包括半波片、线偏振镜、第一透镜组、第一光阑以及第二透镜组，所述半波片、线偏振镜、第一透镜组、第一光阑以及第二透镜组依次耦合，所述栗浦激光器发出的栗浦光依次经过所述半波片、线偏振镜、第一透镜组、第一光阑以及第二透镜组以及所述光路调节模块后入射至所述离轴抛物镜。5.根据权利要求4所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，还包括整形会聚模块，所述整形会聚模块设置于所述探测光源与所述样品台之间，所述探测光源发出的探测光经过所述整形会聚模块的整形会聚处理后聚焦到所述待测样品的预设待测点处。6.根据权利要求5所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，还包括用于将经过整形会聚模块整形会聚处理后的探测光反射到所述待测样品的预设待测点处聚焦的反射镜，所述反射镜设置于所述整形会聚模块与所述样品台之间。7.根据权利要求1所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，所述探测器包括滤波模块、光电转换模块和信号分析模块，所述滤波模块、所述光电转换模块及所述信号分析模块依次耦合，透过所述待测样品的探测光经过所述滤波模块的滤波处理后进入所述光电转换模块，经所述光电转换模块转换为电信号后进入所述信号分析模块。8.根据权利要求7所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，所述滤波模块包括会聚透镜和第二光阑，由所述待测样品出射的探测光，依次经过所述会聚透镜和所述第二光阑后入射到所述光电转换模块。9.根据权利要求8所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，所述探测器还包括滤光模块，所述滤光模块设置于所述待测样品及所述滤波模块之间。10.根据权利要求1所述的光热弱吸收测试系统，其特征在于，所述样品台为三维电动平移台。
【文档编号】G01N21/88GK205538714SQ201620162935
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月3日
【发明人】王凤蕊, 刘红婕, 李青芝, 黄进, 耿锋, 孙来喜, 蒋晓东, 叶鑫, 周晓燕
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心