光热吸收测试系统和光热吸收测试方法与流程

本发明涉及激光测量技术领域，具体而言，涉及一种光热吸收测试系统和光热吸收测试方法。

背景技术：

长期以来，光学材料的激光诱导损伤问题是高功率激光光学材料生产领域的重要问题，与损伤物理机制相关的理论研究能为材料生长工艺改进提供方向指导。其中，光学材料的激光诱导损伤通常与材料自身光学缺陷相关，这些缺陷包括杂质缺陷、电子缺陷、结构缺陷等多种类型。然而，缺陷诱导损伤的物理机制十分复杂，通常认为各类缺陷对激光能量的热吸收构成了损伤早期能量来源，探测材料表面光热吸收大小对理解缺陷诱导损伤行为的机理具有重要意义。

目前对于材料吸收的方法主要包括两种：光热透镜法和光热偏转法。前者是利用材料表面在连续激光作用下产生的热透镜效应，导致探测光的强度分布发生改变，通过强度变化推导出吸收量；而后者利用探测光束的偏转角度来间接表征吸收量。两种方式的共同特点都是静态表征，也就是说只能获得持续激光作用下的吸收结果，是一种吸收终末状态的表征手段。而在损伤机制研究中，重要的一点是要获取材料在激光作用下的变形过程，这其中包括形变速率、形变范围等。因此，提供一种可以对光热形变过程进行测量的技术是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光热吸收测试系统和光热吸收测试方法，以填补现有技术中光热吸收特性的测试结果无法表征光热形变过程的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种光热吸收测试系统，包括：

泵浦激光器，该泵浦激光器用于输出泵浦激光至待测试样品的测试面；

探测激光器，该探测激光器用于在所述泵浦激光作用于所述测试面前输出第一探测激光至该测试面，并在所述泵浦激光作用于所述测试面后输出第二探测激光至该测试面；

位置传感器，该位置传感器设置于探测激光经过所述测试面后的反射光路上，以检测经过所述测试面反射的第一探测激光和第二探测激光之间的偏转量；

延时发生器，该延时发生器分别与所述泵浦激光器和所述探测激光器连接，以控制所述第二探测激光在所述泵浦激光作用于所述测试面预设时长之后作用于该测试面，以对所述待测试样品的测试面在泵浦激光的作用后任意一个时刻第一探测激光和第二探测激光之间的偏转量进行测试，以得到对应的瞬态光热吸收特性。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试系统中，还包括：

上位机，该上位机与所述位置传感器连接，以获取所述位置传感器检测得到偏转量，并基于该偏转量计算得到所述测试面的光热吸收特性。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试系统中，还包括：

第一反射器，该第一反射器设置于所述探测激光器和所述测试面之间，以使所述探测激光器输出的探测激光经过所述第一反射器后反射至所述测试面。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试系统中，还包括：

第一透镜，该第一透镜设置于所述第一反射器和所述测试面之间，以使经过所述第一反射器反射的探测激光经过所述第一透镜的聚集处理后输出至所述测试面。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试系统中，还包括：

第二反射器，该第二反射器设置于所述泵浦激光器和所述测试面之间，以使所述泵浦激光器输出的泵浦激光经过所述第二反射器后反射至所述测试面。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试系统中，还包括：

第二透镜，该第二透镜设置于所述第二反射器和所述测试面之间，以使经过所述第二反射器反射的泵浦激光经过所述第二透镜的聚集处理后输出至所述测试面。

在上述基础上，本发明实施例还提供了一种光热吸收测试方法，应用于上述光热吸收测试系统，所述方法包括：

探测激光器输出第一探测激光至待测试样品的测试面，以使该第一探测激光经过该测试面反射至位置传感器；

在停止输出所述第一探测激光之后，泵浦激光器输出泵浦激光至所述测试面以使该测试面发生形变；

在输出该泵浦激光第一预设时长之后，所述探测激光器输出第二探测激光至发生形变的测试面以使该第二探测激光经过该测试面反射至所述位置传感器；

所述位置传感器对获取的第一探测激光和第二探测激光进行检测，以得到该第一探测激光和第二探测激光之间的偏转量；

上位机获取所述偏转量，并根据该偏转量计算得到所述待测试样品的测试面的光热吸收特性。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试方法中，在执行在输出泵浦激光第一预设时长之后，所述探测激光器输出第二探测激光至发生形变的测试面以使该第二探测激光经过该测试面反射至所述位置传感器的步骤之后，所述方法还包括：

a，所述泵浦激光器停止输出泵浦激光至所述测试面，且所述探测激光器停止输出第二探测激光至测试面；

b，在发生形变的测试面恢复形变后，所述泵浦激光器再次输出泵浦激光至所述测试面以使该测试面再次发生形变；

c，在输出该泵浦激光第二预设时长之后，所述探测激光器再次输出第二探测激光至发生形变的测试面以使该第二探测激光经过该测试面反射至所述位置传感器，其中，所述第二预设时长不等于所述第一预设时长；

重复执行步骤a、步骤b、以及步骤c多次，多次执行步骤c对应的第二预设时长不同，以对测试面在泵浦激光的作用下的多个不同时刻的形变进行测试，以得到多个形变的瞬态值。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试方法中，所述探测激光器输出第一探测激光至待测试样品的测试面的步骤包括：

探测激光器输出第一探测激光至第一反射器，以使该第一探测激光经过所述第一反射器反射至第一透镜；

所述第一透镜将所述第一探测激光进行聚集处理并输出至待测试样品的测试面。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光热吸收测试方法中，所述泵浦激光器输出泵浦激光至所述测试面的步骤包括：

泵浦激光器输出泵浦激光至第二反射器，以使该泵浦激光经过所述第二反射器反射至第二透镜；

所述第二透镜将所述泵浦激光进行聚集处理并输出至所述测试面。

本发明提供的光热吸收测试系统和光热吸收测试方法，通过泵浦激光器、探测激光器、位置传感器以及延时发生器的配合设置，可以控制泵浦激光与探测激光之间的延时，以对待测试样品的测试面在泵浦激光的作用后任意一个时刻的瞬态光热吸收特性进行测试，从而根据多次测量结果以得到测试面在进行光热吸收之后的形变演化规律。也就是说，基于本方案可以实现对测试面在泵浦激光的作用后从形变产生至形变停止之间的每一个时刻的瞬态变化进行测量，从而揭示测试面光热吸收形变随时间变化规律，进而改善现有技术中因只能测量测试面在形变停止后的终态形变量而导致得到的光热吸收特性难以有效地对测试面的特性进行表征的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光热吸收测试系统的应用框图。

图2为本发明实施例提供的光热吸收测试系统的另一应用框图。

图3为本发明实施例提供的光热吸收测试方法的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的光热吸收测试方法的另一流程示意图。

图标：110-探测激光器；120-泵浦激光器；130-位置传感器；140-上位机；150-第一反射器；160-第一透镜；170-第二反射器；180-第二透镜；190-延时发生器；200-待测试样品。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供了一种光热吸收测试系统，用于对待测试样品200的测试面进行光热吸收特性进行测试。其中，所述光热吸收测试系统可以包括探测激光器110、泵浦激光器120、位置传感器130以及上位机140。

进一步地，在本实施例中，所述泵浦激光器120用于输出泵浦激光至待测试样品200的测试面。所述探测激光器110用于在所述泵浦激光作用于所述测试面前输出第一探测激光至该测试面，并在所述泵浦激光作用于所述测试面后输出第二探测激光至该测试面。所述位置传感器130设置于探测激光经过所述测试面后的反射光路上，以检测经过所述测试面反射的第一探测激光和第二探测激光之间的偏转量。所述上位机140与所述位置传感器130连接，以获取所述位置传感器130检测得到偏转量，并基于该偏转量计算得到所述测试面的光热吸收特性。

可选地，所述探测激光器110与所述待测试样品200之间的相对位置关系不受限制，只要保证所述探测激光器110输出的第一探测激光和第二探测激光能够有效地输出至所述待测试样品200的测试面即可。

并且，所述探测激光输出至所述测试面的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，既可以是直接传输至所述测试面，也可以是经过其它光学器件之后传输至所述测试面。在本实施例中，结合图2，考虑到在部分情况下，所述探测激光器110的输出端一般未与所述待测试面对应设置，因此，所述光热吸收测试系统还可以包括第一反射器150。

其中，所述第一反射器150设置于所述探测激光器110和所述测试面之间，以使所述探测激光器110输出的探测激光经过所述第一反射器150后反射至所述测试面。也就是说，沿着所述第一探测激光和所述第二探测激光的传输方向依次经过所述探测激光器110、第一反射器150、待测试面以及位置传感器130。

进一步地，为提高所述第一探测激光和所述第二探测激光的性能，在本实施例中，所述光热吸收测试系统还可以包括第一透镜160。

其中，所述第一透镜160设置于所述第一反射器150和所述测试面之间，以使经过所述第一反射器150反射的探测激光经过所述第一透镜160的聚集处理后输出至所述测试面。也就是说，沿着所述第一探测激光和所述第二探测激光的传输方向依次经过所述探测激光器110、第一反射器150、第一透镜160、待测试面以及位置传感器130。

可选地，所述泵浦激光器120与所述待测试样品200之间的相对位置关系不受限制，只要保证所述泵浦激光器120输出的泵浦激光能够有效地输出至所述待测试样品200的测试面即可。

并且，所述泵浦激光输出至所述测试面的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，既可以是所述泵浦激光沿垂直于所述测试面的方向输出至所述测试面，也可以是所述泵浦激光沿不垂直于所述测试面的方向输出至所述测试面。在本实施例中，为保证所述泵浦激光对所述测试面的作用效果，所述泵浦激光可以沿垂直于所述测试面的方向输出至所述测试面。

其中，考虑到部分情况下，所述泵浦激光器120的输出端一般与所述测试面未正对设置，也就是说，所述泵浦激光器120输出的泵浦激光的出射方向一般不垂直于所述测试面。因此，为保证所述泵浦激光对所述测试面的作用效果，所述光热吸收测试系统还可以包括第二反射器170。

详细地，所述第二反射器170设置于所述泵浦激光器120和所述测试面之间，以使所述泵浦激光器120输出的泵浦激光经过所述第二反射器170后反射至所述测试面。也就是说，沿着所述泵浦激光的传输方向可以依次经过所述泵浦激光器120、第二反射器170以及测试面。

并且，所述泵浦激光经过所述第二反射器170的入射角度和出射角度不受限制，只要能够保证沿所述测试面垂直的方向传输至所述测试面即可。在本实施例中，所述泵浦激光在所述第二反射器170上的入射角度和出射角度可以为45度。

进一步地，为提高所述泵浦激光的性能，在本实施例中，所述光热吸收测试系统还可以包括第二透镜180。

其中，所述第二透镜180设置于所述第二反射器170和所述测试面之间，以使经过所述第二反射器170反射的泵浦激光经过所述第二透镜180的聚集处理后输出至所述测试面。也就是说，沿着所述泵浦激光的传输方向可以依次经过所述泵浦激光器120、第二反射器170、第二透镜180以及测试面。

进一步地，为便于对所述泵浦激光与第二探测激光之间的延时进行控制，以进行不同延时的多次测试，从而根据多次测量结果以得到测试面在进行光热吸收之后的形变演化规律，在本实施例中，所述光热吸收测试系统还可以包括延时发生器190。

其中，所述延时发生器190可以分别与所述上位机140、所述泵浦激光器120以及所述探测激光器110连接，以基于所述上位机140的控制指令控制所述第二探测激光在所述泵浦激光作用于所述测试面预设时长之后作用于该测试面。

通过延时发生器190的设置，可以对所述待测试样品200的测试面在泵浦激光的作用下任意一个时刻的瞬态光热吸收特性进行测试，从而根据多次测量结果以得到测试面在进行光热吸收之后的形变演化规律。

详细地，可以进行多次测试，且每一次测试对应的预设时长不同，例如，可以依次是0ms、5ms、10ms、15ms等。也就是说，可以分别对泵浦激光作用于测试面的初始时刻、作用于测试面5ms后的时刻、作用于测试面10ms后的时刻、作用于测试面15ms后的时刻的测试面的形变分别进行测试，以得到各个时刻下的一个瞬态值。

其中，各次测试对应的预设时长的差值大小不受限制，可以根据需要的精度进行设置，例如，对精度要求越高时，该差值可以越小。

结合图3，本发明实施例还提供一种可应用于上述光热吸收测试系统的光热吸收测试方法。其中，所述光热吸收测试方法可以包括步骤s110、步骤s120、步骤s130、步骤s140以及步骤s150。下面将结合图3，对所述光热吸收测试方法进行详细地解释说明。

步骤s110，探测激光器110输出第一探测激光至待测试样品200的测试面，以使该第一探测激光经过该测试面反射至位置传感器130。

在本实施例中，在需要对所述待测试样品200进行测试时，可以通过所述探测激光器110输出一第一探测激光至所述待测试样品200的测试面，该第一探测激光能够在所述测试面发生反射，以传输至所述位置传感器130。

其中，为便于所述位置传感器130进行偏转量的检测，在本实施例中，还可以对第一探测激光的反射光路进行调节，以使该第一探测激光传输至所述位置传感器130时，位于所述位置传感器130的靶面的中心位置。

可选地，对第一探测激光的反射光路进行调节的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。在本实施例中，可以将所述待测试样品200设置于一移动平台，以通过对该移动平台进行移动，从而带动所述待测试样品200进行移动，进而实现第一探测激光的反射光路的调节。

可选地，将第一探测激光输出至待测试样品200的测试面的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，既可以是直接传输至所述测试面，也可以是通过其它的光学器件传输至所述测试面，在本实施例中，步骤s110可以包括以下子步骤：所述探测激光器110输出第一探测激光至第一反射器150，以使该第一探测激光经过所述第一反射器150反射至第一透镜160；所述第一透镜160将所述第一探测激光进行聚集处理并输出至待测试样品200的测试面。

步骤s120，在停止输出所述第一探测激光之后，泵浦激光器120输出泵浦激光至所述测试面以使该测试面发生形变。

在本实施例中，在执行步骤s110之后，可以控制所述探测激光器110停止输出所述第一探测激光，并在停止输出所述第一探测激光之后，可以通过所述泵浦激光器120输出一泵浦激光至所述测试面。其中，该泵浦激光的光脉冲能量应大于所述测试面的光热形变阈值，以使该测试面能够基于吸收的泵浦激光产生一定的形变。

并且，考虑到所述泵浦激光一般为相对比较聚集的光束，在传输至所述测试面时会形成光斑，也就是说，所述泵浦激光在所述测试面的有效作用区域一般较小。因此，为保证测试的有效性，可以对所述泵浦激光的光斑的直径进行调节，以使该直径大于第一探测激光和第二探测激光的光斑的直径。并且，所述第一探测激光和第二探测激光的光斑应位于所述泵浦激光的光斑内。

可选地，将所述泵浦激光输出至待测试样品200的测试面的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，既可以是直接传输至所述测试面，也可以是通过其它的光学器件传输至所述测试面，在本实施例中，步骤s120可以包括以下子步骤：所述泵浦激光器120输出泵浦激光至第二反射器170，以使该泵浦激光经过所述第二反射器170反射至第二透镜180；所述第二透镜180将所述泵浦激光进行聚集处理并输出至所述测试面。

步骤s130，在输出该泵浦激光第一预设时长之后，所述探测激光器110输出第二探测激光至发生形变的测试面以使该第二探测激光经过该测试面反射至所述位置传感器130。

在本实施例中，通过将所述泵浦激光作用于所述测试面第一预设时长之后，也就是说，在停止输出所述泵浦激光第一预设时长之后，可以通过所述探测激光器110输出第二探测激光至该测试面。

其中，所述第一预设时长的具体数值不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以是5ms、10ms或15ms。并且，所述第二探测激光与所述第一探测激光可以是相同的，以避免由于探测激光的不同而导致检测两种探测激光得到的偏转量难以准确计算得到测试面的光热吸收特性的问题。

步骤s140，所述位置传感器130对获取的第一探测激光和第二探测激光进行检测，以得到该第一探测激光和第二探测激光之间的偏转量。

在本实施例中，通过位置传感器130对获取到的第一探测激光和第二探测激光分别进行检测，以得到该第一探测激光和第二探测激光的偏转量。

步骤s150，上位机140获取所述偏转量，并根据该偏转量计算得到所述待测试样品200的测试面的光热吸收特性。

在本实施例中，所述偏转量与所述测试面的形变量呈正相关的关系，并且，所述测试面的形变量又与所述测试面的光热吸收量呈正相关的关系。因此，可以预设构建一偏转量与光热吸收特性的对应关系，然后，在获取到偏转量时，可以基于该对应关系计算得到对应的光热吸收特性。

进一步地，为了对所述泵浦激光与第二探测激光之间的延时进行控制，以进行不同延时的多次测试，从而根据多次测量结果以得到测试面在进行光热吸收之后的形变演化规律，在本实施例中，结合图4，在执行步骤s130之后，所述光热吸收测试方法还可以包括步骤s160、步骤s170以及步骤s180。

步骤s160，所述泵浦激光器120停止输出泵浦激光至所述测试面，且所述探测激光器110停止输出第二探测激光至测试面。

步骤s170，在发生形变的测试面恢复形变后，所述泵浦激光器120再次输出泵浦激光至所述测试面以使该测试面再次发生形变。

步骤s180，在输出该泵浦激光第二预设时长之后，所述探测激光器110再次输出第二探测激光至发生形变的测试面以使该第二探测激光经过该测试面反射至所述位置传感器130。

在本实施例中，通过将所述第二预设时长设置为不等于所述第一预设时长，以使执行步骤s130输出的泵浦激光作用于所述测试面的时间不等于执行步骤s180输出的泵浦激光作用于所述测试面的时间，以使所述测试面在两次泵浦激光的作用下产生不同的形变量。

其中，为实现对测试面在泵浦激光的作用下的各个时刻的形变量的测试，以得到测试面基于泵浦激光的形变演化规律，例如，从开始发生形变至形变停止之间各个时刻的形变量。

详细地，可以重复执行步骤s160、步骤s170以及步骤s180多次，并且每一次中第二预设时长具有不同的值，例如，在执行步骤s130时第一预设时长可以为0，多次执行步骤s180中的第二预设时长可以依次是5ms、10ms、15ms等。也就是说，可以分别对泵浦激光作用于测试面的初始时刻、作用于测试面5ms后的时刻、作用于测试面10ms后的时刻、作用于测试面15ms后的时刻的测试面的形变分别进行测试，以得到各个时刻下的一个瞬态值。

其中，相邻两次步骤s180对应的第二预设时长的差值大小不受限制，既可以是5ms，也可以是3ms，还可以是1ms等，根据需要的精度进行设置即可，例如，对精度要求越高时，该差值可以越小。

综上所述，本发明提供的光热吸收测试系统和光热吸收测试方法，通过探测激光器110、泵浦激光器120、位置传感器130以及延时发生器190的配合设置，可以控制泵浦激光与探测激光之间的延时，以对待测试样品200的测试面在泵浦激光的作用后任意一个时刻的瞬态光热吸收特性进行测试，从而可以根据多次测量结果以得到测试面在进行光热吸收之后的形变演化规律。也就是说，基于本方案可以实现对测试面在泵浦激光的作用后从形变产生至形变停止之间的每一个时刻的瞬态变化进行测量，从而揭示测试面光热吸收形变随时间变化规律，进而改善现有技术中因只能测量测试面在形变停止后的终态形变量而导致得到的光热吸收特性难以有效地对测试面的特性进行表征的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。