定点式激光损伤阈值评价系统的制作方法

本发明涉及一种激光损伤测试系统，尤其是一种定点式激光损伤阈值评价系统。

背景技术：

在高功率/能量激光聚变装置中，需要使用大量的光学元件，在强激光的辐照下，光学元件表面很容易出现激光诱导损伤，这些损伤点已成为抑制激光聚变系统输出功率和使用寿命的关键因素。因此，光学元件抗激光损伤能力的强弱是衡量激光聚变装置性能好坏的一个重要指标，这就需要开发一个准确、可靠的激光损伤阈值(laser-induceddamagethreshold,lidt)评价系统。

当元件表面存在机械缺陷如压痕、划痕、微裂纹等，或化学缺陷如金属微粒、盐类沉积颗粒等污染物时，元件损伤性能会有所下降。为了对这些缺陷的损伤阈值进行评价和标定，就需要对缺陷进行准确的定点测试，以此探索对元件损伤性能有不利影响的缺陷种类和尺度。在激光损伤测试过程中，由于激光器受其本身的热变形、环境振动和空气扰动等因素的影响，出射的激光束在传播过程中常会发生光束漂移或弯曲、抖动，光束的不稳定性将严重影响出射激光的准直性，从而影响对点测试位置的准确性。在现有的激光损伤测试系统对元件表面特定的缺陷位置进行对点测试的过程中，常常会出现激光损伤点的严重偏移，即损伤点并未出现在测试目标(缺陷)位置处。

现在常用的方法是在计算机屏幕上观测到损伤点后，在屏幕上手工圈出实际损伤点的出现位置，再调节工件移动平台将工件的待测缺陷移动至画圈位置，再次进行激光损伤测试。由于激光偏移方向与角度的不可控性和非重复性，有时需要尝试多次上述过程才能将损伤点打在指定的缺陷位置，因此，该方法费时费力，且具有许多的不确定因素。另外，现有的激光损伤测试过程中对损伤出现的判定是基于测试者对激光辐照前后元件测试位置的形貌差异的观测，因此，测试者的主观因素很容易影响到损伤出现与否的判断，同时，一些较小的、肉眼不易识别的损伤点则很容易被忽略，从而影响损伤性能测试结果的准确性。综上所述，为了充分把握激光聚变装置的整体性能，实现元件表面缺陷处激光损伤阈值的准确评价显得十分重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种定点式激光损伤阈值评价系统，有效抑制激光损伤测试过程中光束的漂移，并能够快速确定损伤点具体位置和损伤点尺寸，实现不同形状、尺寸工件表面特定位置激光损伤阈值的定点测试。

本发明的技术方案：一种定点式激光损伤阈值评价系统，配置有激光发射装置、光束准直反馈调节系统、三坐标运动控制系统和损伤判别装置，所述激光发射装置依次设置nd:yag激光器、空间滤波器、扩束器和锥镜；所述光束准直反馈调节系统设有x向可旋转反馈镜、y向可旋转反馈镜、衰减器、波片、分光镜i、分光镜ii、能量计、聚焦透镜i、光斑屏幕、ccd相机i、聚焦透镜ii、x向压电控制器和y向压电控制器；所述分光镜i下面设置能量计，用以实时读取激光能量数值，所述分光镜ii下面设置聚焦透镜i、光斑屏幕和ccd相机i，聚焦透镜i将激光光束聚焦于光斑屏幕上并利用ccd相机i检测光斑的实际位置，所述能量计和ccd相机i连接计算机，计算机分别通过x向压电控制器和y向压电控制器连接x向可旋转反馈镜、y向可旋转反馈镜，由计算机控制调节x向可旋转反馈镜、y向可旋转反馈镜的旋转角度；所述三坐标运动控制系统设有可调节夹具、夹具支撑台、弹簧、三维移动平台、x轴运动控制器、y轴运动控制器及z轴运动控制器，所述可调节夹具置于夹具支撑台上方用于夹持待测工件并通过弹簧与夹具支撑台相连，夹具支撑台固定于三维移动平台上，所述三维移动平台通过x轴运动控制器、y轴运动控制器及z轴运动控制器连接计算机，由计算机控制x轴运动控制器、y轴运动控制器及z轴运动控制器驱动三维移动平台及可调节夹具和待测工件作三维移动；所述损伤判别装置包含带有长焦距显微镜的ccd相机ii，ccd相机ii用于观测并记录激光辐照前后工件测试区域的显微形貌，并将其反馈给计算机，计算机利用图像处理软件即时分析激光损伤测试前后工件表面测试区域的形貌变化，若测试区域附近像素点发生明显改变且超过尺寸容差时则判定该处出现激光诱导损伤，并根据像素点的变化值定义损伤点的尺寸大小，以此保证损伤判别的准确性和可靠性，并实现损伤点尺寸的定量化评价。

进一步，所述nd:yag激光器出射激光通过空间滤波器、扩束器和锥镜形成莫尔条纹实现出射激光的初级准直，并利用ccd相机i检测出光斑屏幕上激光光斑的具体位置，确定激光束在x向及y向的偏移量并将其反馈给计算机，通过算法控制x向压电控制器及y向压电控制器分别驱动x向可旋转反馈镜及y向可旋转反馈镜旋转至所需角度，从而调节激光光斑至光斑屏幕坐标原点处，实现激光光束的准直调节。

进一步，所述可调节夹具分为左右两部分，内侧间隔一定距离设有橡胶夹紧条，待测工件置于可调节夹具内通过与橡胶夹紧条的接触实现待测工件的定位和夹紧。

进一步，所述可调节夹具根据待测工件的尺寸大小，通过左右两部分借助于底部弹簧沿楔形导向槽实现伸缩调节，来实现待测工件的定位和夹紧。

进一步，所述可调节夹具可夹持工件尺寸为φ20～φ100mm的圆形工件或对边距20～100mm的多边形工件，工件厚度范围为5～25mm，从而实现多形状、多尺寸工件的固定。

进一步，所述可调节夹具及工件由三维移动平台带动实现沿x向、y向及z向的进给，其中y向及z向运动用以改变工件表面待测区域的具体位置，x向运动用以确保工件待测区域始终位于聚焦透镜ii的焦点位置，保证激光测试过程中激光辐照于工件后表面，依靠三维移动平台的驱动实现平面、楔形面及曲面工件表面任意位置的激光损伤定点测试。

进一步，所述ccd相机ii的显微镜倍率可调范围为×0.7至×4.5，视场范围为0.5-3mm。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种定点式激光损伤阈值评价系统，能够避免因激光光束漂移或抖动引起的损伤测试位置偏移，并且对激光损伤点的判定和识别也精确可靠。该装置原理可靠，结构完善，操作便捷，能够精确实现光学元件表面目标位置的定点激光损伤测试，实现激光损伤点的定量和准确评估，该系统适用于多尺寸、多形状工件的激光损伤阈值评价，具有较强的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的可调节夹具夹紧定位工件的结构示意图；

图3为本发明测试工件表面不同位置时的工作原理；

图4为本发明进行激光损伤测试前后工件局部形貌对比图；

以下给出图1-4中的各主要部件的代号：

1—nd:yag激光器、2—空间滤波器、3—扩束器、4—锥镜、5—x向可旋转反馈镜、6—y向可旋转反馈镜、7—衰减器、8—波片、9—分光镜i、10—分光镜ii、11—能量计、12—聚焦透镜i、13—光斑屏幕、14—ccd相机i、15—聚焦透镜ii、16—x向压电控制器、17—y向压电控制器、18—可调节夹具、18-1—橡胶夹紧条、19—夹具支撑台、19-1—楔形导向槽、20—弹簧、21—三维移动平台、22—待测工件、23—x轴运动控制器、24—y轴运动控制器、25—z轴运动控制器、26—ccd相机ii、27—计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例：如图1至图4所示，一种定点式激光损伤阈值评价系统，主要由nd:yag激光器1、空间滤波器2、扩束器3、锥镜4、x向可旋转反馈镜5、y向可旋转反馈镜6、衰减器7、波片8、分光镜i9、分光镜ii10、能量计11、聚焦透镜i12、光斑屏幕13、ccd相机i14、聚焦透镜ii15、x向压电控制器16、y向压电控制器17、可调节夹具18、橡胶夹紧条18-1、夹具支撑台19、楔形导向槽19-1、弹簧20、三维移动平台21、待测工件22、x轴运动控制器23、y轴运动控制器24、z轴运动控制器25、ccd相机ii26和计算机27等组成。

nd:yag激光器1、空间滤波器2、扩束器3和锥镜4依次设置构成激光发射装置；x向可旋转反馈镜5、y向可旋转反馈镜6、衰减器7、波片8、分光镜i9、分光镜ii10、能量计11、聚焦透镜i12、光斑屏幕13、ccd相机i14、聚焦透镜ii15依次设置构成光束准直反馈调节系统；分光镜i9下面设置能量计11，用以实时读取激光能量数值，分光镜ii10下面设置聚焦透镜i12、光斑屏幕13和ccd相机i14，聚焦透镜i12将激光光束聚焦于光斑屏幕13上并利用ccd相机i14检测光斑的实际位置，能量计11和ccd相机i14连接计算机27，计算机27分别通过x向压电控制器16和y向压电控制器17连接x向可旋转反馈镜5、y向可旋转反馈镜6，由计算机27控制调节x向可旋转反馈镜5、y向可旋转反馈镜6的旋转角度；可调节夹具18、夹具支撑台19、弹簧20、三维移动平台21、x轴运动控制器23、y轴运动控制器24及z轴运动控制器25组成三坐标运动控制系统，可调节夹具18置于夹具支撑台19上方用于夹持待测工件22并通过弹簧20与夹具支撑台19相连，夹具支撑台19置于三维移动平台21上，三维移动平台21通过x轴运动控制器23、y轴运动控制器24及z轴运动控制器25连接计算机27，由计算机27控制x轴运动控制器23、y轴运动控制器24及z轴运动控制器25驱动三维移动平台21及可调节夹具18和待测工件22作三维移动；带有长焦距显微镜的ccd相机ii26和计算机27组成损伤判别装置，ccd相机ii26用于观测并记录激光辐照前后工件测试区域的显微形貌，并将其反馈给计算机，计算机27利用图像处理软件即时分析激光损伤测试前后工件表面测试区域的形貌变化，若测试区域附近像素点发生明显改变且超过尺寸容差时则判定该处出现激光诱导损伤，并根据像素点的变化值定义损伤点的尺寸大小，以此保证损伤判别的准确性和可靠性，并实现损伤点尺寸的定量化评价。

本系统可适用于r:1和1:1两种损伤阈值评价方式，由于工件后表面相比于前表面更容易发生激光诱导损伤，本系统主要以工件后表面定点激光损伤测试为例说明其工作过程。r:1损伤测试过程中通过逐步增加激光能量密度(单位j/cm²，能量梯度视待测表面而定)辐照工件后表面待测点，直至损伤发生，将损伤出现时的激光能量密度定义为该测试点的r:1激光损伤阈值。在1:1测试方式中，在工件后表面选取数十个待测点，且每个待测点均使用不同的激光能量进行辐照，将入射激光能量由低至高排序并划分为若干个能量区间，通过统计每个能量区间内工件的激光损伤概率(出现激光损伤的测试点数与被辐照的测试点总数之比)获得损伤概率曲线，再根据iso11254中零几率损伤法的规定，通过线性拟合损伤概率曲线获得损伤概率为0时对应的激光能量密度，将其定义为工件的1:1损伤阈值。

该系统工作过程如图1所示，首先将待测工件22固定于夹具支撑台19上方的可调节夹具18内，可调节夹具18能够根据工件22的尺寸对左右两部分的间距进行灵活调节以实现工件22的夹紧和定位。通过计算机27控制三维移动平台21实现工件22沿x轴、y轴及z轴的三维移动，以确保激光光束能够对焦于待测工件22后表面指定的待测缺陷位置，例如，特定的划痕、裂纹、污染物颗粒等缺陷所在位置等，工件22空间位置的具体调节过程见图3说明。

调整好工件22的位置后，进行激光光束的准直调节以便为定点激光损伤测试做准备。其中nd:yag激光器1发出的激光为纳秒脉宽的紫外激光(351/355nm)，由激光器1、空间滤波器2、扩束镜3和锥镜4形成无衍射光，利用无衍射光所形成的、不随传播距离变化的贝塞耳函数光环作为基准轴，通过圆环光栅迭代产生的莫尔条纹实现出射激光的初级准直。经过初级准直的紫外激光随后进入光束准直反馈调节系统，即激光束首先通过x向可旋转反馈镜5反射进入y向可旋转反馈镜6，通过y向可旋转反馈镜6反射后依次经过衰减器7、波片8、分光镜i9、分光镜ii10和聚焦透镜ii15，激光束经聚焦透镜ii15聚焦后辐照于工件22后表面的待测区域。初始状态下，x向可旋转反馈镜5和y向可旋转反馈镜6均处于如图所示的45°倾角位置，以便顺利实现激光束的反射与传播，且二者分别可绕y轴和x轴旋转。其中，分光镜i9与分光镜ii10的分光比均为1:1，能量计11与分光镜i9相连，用以实时读取并记录由激光器1发出的激光能量密度。另外，分光镜ii10与聚焦透镜i12、光斑屏幕13及ccd相机i14依次相连，激光束由分光镜ii10分光后经由聚焦透镜i12聚焦于光斑屏幕13上，利用ccd相机i14检测出光斑屏幕13上激光光斑的具体位置，若激光束在传播过程中未发生漂移，则激光光斑恰好聚焦于光斑屏幕13的坐标原点处，若激光束在传播过程中发生了平行线漂移，由于聚焦透镜i12的聚焦作用，激光光斑仍然会聚焦于光斑屏幕13的坐标原点处，因此，光斑屏幕13上测得的激光偏移量主要由激光传输过程中的角漂移引起的。激光损伤测试时，激光束最终经聚焦透镜ii15聚焦后辐照于待测工件22后表面的待测区域，即聚焦透镜ii15的聚焦作用也会补偿激光束传播过程中的平行线漂移量，因此，本系统中对激光漂移量的反馈和调节主要关注激光束传播过程中的角漂移量。根据ccd相机i14测得的光斑屏幕13上激光光斑的具体位置，确定激光束在x向及y向的偏移量并将其反馈给计算机27，经过分析计算确定激光束的二维角漂分量，通过算法分别控制x向压电控制器16驱动x向可旋转反馈镜5绕y轴旋转一定的角度，并控制y向压电控制器17驱动y向可旋转反馈镜6绕x轴旋转一定的角度，使激光束向角漂量减小的方向转动，从而调节激光光斑使其置于光斑屏幕13原点处，即完成激光光束的准直调节。

完成光束准直调节的激光即可对待测工件22后表面特定位置进行定点损伤测试，损伤测试过程中，带有长焦距显微镜的ccd相机ii26能够及时准确地判断损伤出现与否，其中显微镜倍率可调范围为×0.7至×4.5，视场大小为0.5-3mm。每一次对测试点进行激光辐照前及激光辐照后，均通过计算机27屏幕直接观测并用图像处理软件自动分析与之相连的ccd相机ii26获取的测试区域微观形貌，并将激光辐照前后同一测试区域的形貌进行对比，判断损伤出现与否。激光辐照前后对工件表面激光损伤的判别与评价原理详见图4说明。在r:1损伤测试过程中，若判断工件测试位置出现激光损伤，则通过计算机27记录下此时能量计11测得的实时激光能量密度，将其定义为该点的r:1激光损伤阈值；在1:1损伤测试过程中，不论激光辐照后是否出现激光诱导损伤，均需要通过计算机27记录下能量计11测得的实时激光能量密度值，并标注出该能量下是否出现损伤，再结合iso11254标准线性拟合获得损伤概率为0时对应的激光能量密度，将其定义为工件的1:1损伤阈值。

如图2所示，为可调节夹具18实现待测工件22夹紧与定位的原理示意图。可调节夹具18分为左右两部分，内侧间隔一定距离设有橡胶夹紧条18-1，待测工件22置于可调节夹具18内通过与橡胶夹紧条18-1的接触实现工件22的定位和夹紧。可调节夹具18的底部通过四节弹簧20与夹具支撑台19相连，四节弹簧20均置于夹具支撑台19的楔形导向槽19-1内。在未放入待测工件22时，由于可调节夹具18左右两部分下部内表面的接触限位使得弹簧20处于初步压缩状态。当放入待测工件22时，由工件22的尺寸确定可调节夹具18左右两部分的间距，在弹簧20的弹性回复力作用下，可调节夹具18左右两部分内侧的橡胶夹紧条18-1与工件22左右两侧面实现紧密配合接触，且工件22下表面与可调节夹具18或夹具支撑台19上表面配合接触，从而实现不同形状、尺寸工件的定位与夹紧。该夹具可夹持工件尺寸为φ20～φ100mm(圆形)或对边距20～100mm(多边形)，工件厚度范围5～25mm。

如图3所示，以表面为曲面面形的工件为例，说明测试待测工件22表面不同位置的激光损伤阈值时的工作原理。损伤测试开始前，调节ccd相机ii26的焦距使其焦点与聚焦透镜ii15的焦点准确相交，在激光损伤测试过程中，应及时调整工件22的水平位置，使得ccd相机ii26的镜头焦点始终聚焦于聚焦透镜ii15的焦点与工件22后表面待测位置处，以确保在激光辐照前后及时地观测测试区域的形貌变化并准确判断损伤出现与否。初始状态下，夹具支撑台19下表面的中心位置及三维移动平台21上表面的中心位置均位于ccd相机ii26焦点与聚焦透镜ii15焦点的交汇处正下方55mm处且夹具支撑台19厚度为5mm，并将初始状态下夹具支撑台19下表面中心位置定义为三维移动平台21的初始坐标原点(0,0,0)。通过计算机27控制x向运动控制器23、y向运动控制器24及z向运动控制器25能够调节三维移动平台21位置并实现夹具支撑台19、夹具18及工件22沿x向、y向、z向三个方向的进给。如图3中的(a)所示，需要测量φ100mm的曲面工件后表面t1及t2两处的激光损伤阈值。测量t1点的过程如图3中的(b)所示，由图3中的(a)可知，t1点的y向、z向位置均与初始状态下聚焦透镜ii15的焦点坐标相同即y1＝0，z1＝55，因此无需调节待测工件22的y向及z向位置，由于待测工件22后表面为曲面，t1点与三维移动平台21上表面的中心位置在水平方向(x向)上有一定的距离x1，因此，需要通过计算机27控制x向运动控制器23调节工件22的水平位置，即驱动三维移动平台21使其上表面中点位置水平向左移动x1距离，此时通过计算机27屏幕观测到待测点t1在ccd相机ii26镜头内清晰可见时，认为已经将待测点t1调节至聚焦透镜ii15的焦点处，即可启动nd:yag激光器1进行激光损伤测试。测量t2点的过程如图3中的(c)所示，由图3中的(a)可知，t2点的x向、y向、z向位置均与初始状态下聚焦透镜ii15的焦点坐标不同。因此，在测量t2点的激光损伤阈值前，首先通过计算机27调节y向运动控制器24及z向运动控制器25以改变工件22表面待测区域的具体位置，即驱动三维移动平台21使其上表面中点位置沿y向和z向分别进给﹣y2和﹣(z2-55)，此时，待测点的y向及z向位置均已调至与聚焦透镜ii15的焦点位置相对应。接着，通过计算机27控制x向运动控制器23调节工件22的水平位置，即驱动三维移动平台21使其上表面中点位置水平向左移动x2距离，此时通过计算机27屏幕观测到待测点t2在ccd相机ii26镜头内清晰可见时，认为已经将待测点t2调节至聚焦透镜ii15的焦点处，即可启动nd:yag激光器1进行激光损伤测试。对于表面为楔形面形的工件，测试过程原理类似，控制y向运动控制器24及z向运动控制器25以改变待测工件22表面待测区域的具体位置，再根据待测区域与ccd相机ii26焦点的水平距离控制x向运动控制器23驱动待测工件22沿x向水平移动，使待测区域始终位于聚焦透镜ii15的焦点处。对于表面为平面面形的工件，调整x向运动控制器23使得激光聚焦于待测工件22后表面后，在激光损伤测试过程中，只需控制y向运动控制器24及z向运动控制器25以调节工件22表面待测区域的具体位置，无需调整工件22在水平方向的位置。因此，该损伤阈值评价系统可以有效适用于平面、楔形面和曲面面形的工件测试。

如图4所示，以测量工件后表面划痕/微裂纹处的激光损伤阈值为例，展示了ccd相机ii26获取的待测工件22在激光损伤测试前后的局部形貌对比图。图4中的(a)为激光辐照前ccd相机ii26测得的工件22局部缺陷的形貌，并将该图像输入计算机27，通过图像处理软件分析损伤测试前划痕缺陷n00的像素情况及具体尺寸，图4中的(b)为待测工件22后表面同一位置经过一定能量的激光辐照后的缺陷形貌，再次利用计算机27中的图像处理软件分析激光辐照后划痕缺陷n01的像素情况及具体尺寸，当n01与n00相比像素点无明显变化时，判断该划痕缺陷n00处尚未发生激光诱导损伤；当n01与n00相比像素点有明显改变且超过尺寸容差时，判断该处发生了划痕缺陷n00诱导的激光损伤，如图4(b)所示即为出现了缺陷诱导损伤，记录下此时能量计11读取的实时激光能量密度值，将其定义为待测工件22的激光损伤阈值(r:1测试方式中)或可诱导损伤的激光能量密度值(1:1测试方式中)，并将n01与n00的尺寸差值定义为激光损伤点的尺寸大小，从而实现损伤阈值的准确评估和损伤点尺寸的定量化评价。

本发明原理可靠，结构完善，能够有效抑制激光损伤测试过程中光束的漂移，并能够快速确定损伤点具体位置和尺寸大小，该系统能够适用于多尺寸、多形状工件的定点激光损伤阈值评价。此外，本发明的设计思路也同样适用于激光打标机中抑制激光飞溅，只需撤去ccd相机ii并将所用激光器的类型和参数更换为所需类型和参数即可。