一种无损评价光学元件损伤性能的方法与流程

本发明涉及一种光学元件的无损评价方法，尤其涉及一种无损评价光学元件损伤性能的方法。

背景技术：

光学元件损伤问题一直以来都是大型高功率/高能量激光装置研制中的关键问题，决定了激光装置的最大输出能力，并限制激光输出的进一步提升。为了激光装置能够尽可能在最大输出通量下安全运行，光学元件上架使用前开展损伤性能评估极为重要。目前对光学元件损伤性能的评估都是通过直接对元件进行损伤测试来实现的。通过损伤测试能获得最直接、最准确的结果，但损伤测试本身是一个消耗的过程，经过测试的元件将失去部分甚至全部使用功能，而高品质的大口径紫外光学元件大都价值不菲，这种方法对于控制科研及运行成本显然非常不利。

研究表明，目前通量下导致光学元件损伤的原因是加工过程中引入的、位于元件亚表层的微纳米缺陷，如图1为光学元件亚表面缺陷分布结构示意图。当激光通过光学元件亚表面微裂纹时，一方面光场的衍射干涉作用导致光场的局部增强可达数十倍，另一方面微裂纹内杂质的强吸收性会吸收激光能量，两者的共同作用导致光学元件损伤性能远低于无缺陷的位置。因此采用特定方式无损测试并表征这类缺陷，来评估光学元件损伤性能是有效且非常有意义的。

目前常用的光学元件测试方法主要为面形、应力、表面粗糙度、疵病、透射率等，研究表明这些方法测试的结果与光学元件损伤性能没有直接的关系，而直接相关的亚表面微观缺陷位于表面以下，尺度极小，很难探测。基于光学元件损伤机理，即亚表面微裂纹内部嵌埋污染性杂质在激光辐照下易吸收高通量激光能量发生损伤，提出用低于损伤阈值的激光激发微裂纹内部嵌埋的污染性杂质，通过探测其发出的荧光获得相应的荧光缺陷，由此来无损表征光学元件损伤性能，从原理上看是可行的。

技术实现要素：

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，获取获得荧光缺陷面积与光学元件损伤阈值、损伤密度的关系曲线图，并由此测量待测光学元件的荧光缺陷面积，从而无损获得其损伤阈值和损伤密度的一种无损评价光学元件损伤性能的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种无损评价光学元件损伤性能的方法，包括以下步骤；

（1）构建光路系统，所述光路系统包括连续激光器、脉冲激光器、样品台、显微成像系统，样品台能三维移动且内置光学元件的样品；

所述连续激光器能发出连续激光，经第一能量调节器、第一透镜、反射镜、样品正面后，照射到样品背面，连续激光经样品反射的反射方向上设有残余激光收集器；

所述脉冲激光器能发出脉冲激光，经第二能量调节器、缩束系统、劈板、第二透镜后，照射到样品背面，劈板出射光的反射光反向延长线上，设有能量卡计，显微成像系统正对样品被照射部位；

（2）选取多块同类型光学元件样品，将其中一块安装在样品台上，启动连续激光器在样品背面激发荧光，并调整其激发激光功率至荧光能被显微成像系统清晰探测到；

利用显微成像系统对荧光区域成像，荧光区域大于且完全覆盖成像区域，获得成像区域内的荧光缺陷分布图像，分析得出荧光缺陷数据，所述荧光缺陷数据为荧光缺陷面积占成像区域面积的百分比；

关闭连续激光器，启动脉冲激光器在样品背面形成辐照区域，所述辐照区域大于且完全覆盖成像区域；

（3）移动样品台，在样品背面形成数个互不重叠的辐照区域，通过显微成像系统监控样品是否发生损伤，测试该区域的损伤阈值；

（4）移动样品台，在样品背面形成数个互不重叠的辐照区域，通过显微成像系统监控样品上的损伤点分布情况，获得辐照区中成像区域的损伤密度，且步骤（4）和步骤（3）的辐照区域不重叠；

（5）更换样品，重复步骤（2）-（4），获得多个样品的损伤阈值和损伤密度数据，将荧光缺陷数据与损伤阈值和损伤密度作相关性分析，获得荧光缺陷密度与光学元件损伤阈值和损伤密度的关系曲线图；

（6）选取与光学元件样品同类型的待测样品，测试其荧光缺陷数据，并根据步骤（5）的关系曲线图，推算出其损伤阈值和损伤密度。

作为优选：所述劈板入射光反射方向上，依次设有检测激光脉冲形状的光电管和监测激光光斑质量的品质分析仪，连续激光为355nm的连续激光，激发的荧光区域样品背面大于2*2mm；脉冲激光为355nm的脉冲激光，其辐照区域在样品背面大于2*2mm，脉冲激光的调制度低于1.5。

作为优选：所述显微成像系统包括依次设置的成像镜头、高通滤波器和ccd，所述成像镜头为高倍率成像镜头，所述高通滤波器与激发光源波长匹配。

作为优选：步骤（3）中测试损伤阈值的方法为：从低能量开始辐照，以一定的能量间隔提升辐照能量，每个能量辐照1发次，辐照过程中监控光学元件被辐照位置的损伤情况，直至发生损伤停止辐照，记录下引发损伤的激光能量，通过计算获得该位置的损伤阈值。

作为优选：步骤（4）中测试损伤密度的方法为：在光斑区域内，通过显微成像系统对荧光缺陷成像，获得荧光缺陷数据，选择五个不同的能引发损伤的激光通量进行辐照，且辐照过程中固定激光输出能量，统计每个通量下的成像图像总面积和损伤点个数，以获得损伤密度。

作为优选：所述样品为精抛光熔石英实验过程中，根据光学元件的不同，我们选用不同的波长、不同的激发激光功率，以保证显微成像系统能清晰成像。同时，在显微成像系统中设置高通滤波器，高通滤波器需以与激发光源波长匹配，刚好能去除激发激光为佳。

显微成像系统的功能有两个，一个是对连续激光产生的荧光缺陷成像，另一个是对脉冲激光辐照下产生的损伤点成像，在实验时，先开启连续激光器发出连续激光，结合显微成像系统和测试方法得到荧光缺陷数据，再关闭连续激光器开启脉冲激光器，结合显微成像系统和测试方法得到损伤阈值和损伤密度。在测试过程中，测损伤阈值和损伤密度的位置不能重叠。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过对于待测光学元件相同的元件，进行多样品、多位置的测试，获得此类光学元件中，荧光缺陷数据与激光损伤阈值和损伤密度的关联关系，从而对待测样品进行测量时，通过测量其荧光缺陷数据，从而推算出损伤阈值和损伤密度。这里所指荧光缺陷数据为荧光缺陷面积占成像区域面积的百分比；该方法可以通过无损检测光学元件的荧光缺陷获得光学元件的损伤性能水平，实现光学元件损伤性能的无损评价。

附图说明

图1为精抛光光学元件亚表层微缺陷特征图；

图2为本发明光路原理图；

图3为本发明实施例中荧光缺陷数据与损伤阈值和损伤密度的关系曲线图。

图中：1、连续激光器；2、第一能量调节器；3、第一透镜；4、反射镜；5、样品；6、脉冲激光器；7、第二能量调节器；8、缩束系统；9、劈板；10、第二透镜；11、显微成像系统；12、残余激光收集器；13、能量卡计；14、光电管；15、品质分析仪；16、杂质；17、微裂纹。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1，样品5表面分为沉积层和破碎层，沉积层表面抛光，其下方破碎层中有很多微裂纹17，沉积层和破碎层均含有杂质16。基于光学元件损伤机理，即亚表面微裂纹17内部嵌埋污染性杂质16在激光辐照下易吸收高通量激光能量发生损伤，本发明提出用低于损伤阈值的激光激发微裂纹17内部嵌埋的污染性杂质16，通过探测其发出的荧光获得相应的荧光缺陷。

参见图2和图3，为了进行测试，必然用到光路系统，我们构建一种用于本发明的光路系统，所述光路系统包括连续激光器1、脉冲激光器6、样品台、显微成像系统11，样品台能三维移动且内置光学元件的样品5；所述连续激光器1能发出连续激光，经第一能量调节器2、第一透镜3、反射镜4、样品5正面后，照射到样品5背面，连续激光经样品5反射的反射方向上设有残余激光收集器12；所述脉冲激光器6能发出脉冲激光，经第二能量调节器7、缩束系统8、劈板9、第二透镜10后，照射到样品5背面，劈板9出射光的反射光反向延长线上，设有能量卡计13，所述劈板9入射光反射方向上，依次设有检测激光脉冲形状的光电管14和监测激光光斑质量的品质分析仪15，连续激光为355nm的连续激光，激发的荧光区域样品5背面大于2*2mm；脉冲激光为355nm的脉冲激光，其辐照区域在样品5背面大于2*2mm，脉冲激光的调制度低于1.5；所述显微成像系统11包括依次设置的成像镜头、高通滤波器和ccd，所述成像镜头为高倍率成像镜头，所述高通滤波器与激发光源波长匹配；显微成像系统11正对样品5被照射部位。

一种无损评价光学元件损伤性能的方法具体如下：

（1）构建上述光路系统；

（2）选取多块同类型光学元件样品5，将其中一块安装在样品台上，启动连续激光器1在样品5背面激发荧光，并调整其激发激光功率至荧光能被显微成像系统11清晰探测到；本实施例中，所述光学元件样品5为精抛光熔石英；

利用显微成像系统11对荧光区域成像，荧光区域大于且完全覆盖成像区域，获得成像区域内的荧光缺陷分布图像，分析得出荧光缺陷数据，所述荧光缺陷数据为荧光缺陷面积占成像区域面积的百分比；

关闭连续激光器1，启动脉冲激光器6在样品5背面形成辐照区域，所述辐照区域大于且完全覆盖成像区域；

由于光学缺陷不同且非常微小，所以荧光缺陷形状大小不同，且仅占据成像区域很小的范围，为了精确，我们需要使荧光区域大于且完全覆盖成像区域；

（3）移动样品台，在样品5背面形成数个互不重叠的辐照区域，通过显微成像系统11监控样品5是否发生损伤，测试该区域的损伤阈值，具体方法为：从低能量开始辐照，以一定的能量间隔提升辐照能量，每个能量辐照1发次，辐照过程中监控光学元件被辐照位置的损伤情况，直至发生损伤停止辐照，记录下引发损伤的激光能量，通过计算获得该位置的损伤阈值；

（4）移动样品台，在样品5背面形成数个互不重叠的辐照区域，通过显微成像系统11监控样品5上的损伤点分布情况，获得辐照区中成像区域的损伤密度，且步骤（4）和步骤（3）的辐照区域我们可以各选10，且互不重叠；具体方法为：在光斑区域内，通过显微成像系统11对荧光缺陷成像，获得荧光缺陷数据，选择五个不同的能引发损伤的激光通量进行辐照，且辐照过程中固定激光输出能量，统计每个通量下的成像图像总面积和损伤点个数，以获得损伤密度。

（5）更换样品5，重复步骤（2）-（4），获得多个样品5的损伤阈值和损伤密度数据，将荧光缺陷数据与损伤阈值和损伤密度作相关性分析，获得荧光缺陷密度与光学元件损伤阈值和损伤密度的关系曲线图；

（6）选取与光学元件样品5同类型的待测样品5，测试其荧光缺陷数据，并根据步骤（4）的关系曲线图，推算出其损伤阈值和损伤密度。

通过以上方法，我们可以通过无损检测光学元件的荧光缺陷获得光学元件的损伤性能水平，实现光学元件损伤性能的无损评价。

参见图2：我们可以通过测试得到的荧光缺陷面积占成像区域面积的百分比，譬如说0.4%，预见光学元件损伤阈值为9j/cm2，损伤密度为每平方厘米一个点以下。