一种光学元件损伤的在线监测方法及系统与流程

本发明涉及激光损伤测试技术领域，具体涉及一种光学元件损伤的在线监测方法及系统。

背景技术：

高功率激光驱动器要求在长时间范围内稳定工作，或者系统的性能不产生明显降低。但是系统中光学元件受高功率激光辐照以后，很容易产生元件损伤。这种损伤在后续激光脉冲作用下会继续发展，影响高功率激光驱动器的光束输出质量，同时受调制的激光脉冲会造成后续光学元件的破坏，严重时将导致整个系统瘫痪。光学元件的抗激光损伤特性将直接影响整个系统的设计以及系统运行的性能，因而光学元件的激光损伤问题一直是激光向高能量、高功率方向发展的“瓶颈”，同时也是影响整个激光驱动器系统使用寿命的决定性因素之一。因此，光学元件损伤特性研究一直是发展高功率激光系统必须公关的一个课题。

现有的检测方法大多是在光学元件挑选阶段对其本征缺陷进行检测，不能在激光器工作过程中对光学元件状况进行在线监测，不利于大型精密光学系统的实际使用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种光学元件损伤的在线监测方法及系统，以解决现有技术中无法及时在线监测激光系统中光学元件损伤的技术问题。

本发明提供的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种光学元件损伤的在线监测方法，该监测方法包括：采集光学元件表面预设位置被照射时产生的超声信号；将所述超声信号转换为数字信号；根据所述数字信号、超声信号在光学元件中的传播速度、损伤直径、所述光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤位置。

进一步地，该光学元件损伤的在线监测方法还包括：改变光学元件表面被照射位置，重复本发明实施例第一方面所述的光学元件损伤的在线监测方法计算损伤位置。

进一步地，根据所述数字信号、超声信号在光学元件中的传播速度、损伤直径、所述光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤位置，包括：根据所述数字信号确定沿损伤上边界传播时长以及沿损伤下边界传播时长；根据超声信号在光学元件中的传播速度、沿损伤上边界传播时长计算损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离；根据损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤上边界与光学元件表面之间的垂直距离；根据损伤上边界与光学元件表面之间的垂直距离、超声信号在光学元件中的传播速度、沿损伤下边界传播时长、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤直径；根据损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离、损伤直径、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤位置。

进一步地，改变光学元件表面被照射位置时，光学元件表面被照射位置与超声信号的出射位置之间的水平距离不变。

本发明实施例第二方面提供一种光学元件损伤的在线监测系统，该系统包括：激光超声激励单元、激光超声检测单元、超声数据处理单元，所述激光超声激励单元包括光源，所述光源发出的光入射到所述光学元件表面预设位置，产生超声信号；所述激光超声检测单元接收所述超声信号，将所述超声信号转换为电信号输出至所述超声数据处理单元；所述超声数据处理单元包括信号转换模块以及位置计算模块，所述信号转换模块将所述电信号转换为数字信号，将所述数字信号进行分析处理；所述位置计算模块根据处理后的数字信号、超声信号在光学元件中的传播速度、损伤直径、所述光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤位置。

进一步地，所述位置计算模块包括：时长确定模块，用于根据处理后的数字信号确定沿损伤上边界传播时长以及沿损伤下边界传播时长；第一距离计算模块，用于根据超声信号在光学元件中的传播速度、沿损伤上边界传播时长计算损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离；第二距离计算模块，用于根据损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤上边界与光学元件表面之间的垂直距离；损伤直径计算模块，用于根据损伤上边界与光学元件表面之间的垂直距离、超声信号在光学元件中的传播速度、沿损伤下边界传播时长、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤直径；位置计算子模块，用于根据损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离、损伤直径、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤位置。

进一步地，所述激光超声激励单元还包括：振镜扫描模块，所述超声数据处理单元接收到光学元件表面预设位置的电信号后，控制所述振镜扫描模块沿光学元件表面进行扫描，改变光学元件表面被照射位置。

进一步地，所述激光超声检测单元包括：检测探头和信号放大模块，所述检测探头设置在光学元件光入射表面的同侧，用于获取产生的超声信号；所述信号放大模块用于将所述超声信号放大后输出至所述超声数据处理单元。

进一步地，当光学元件表面被照射位置变化时，所述超声数据处理单元控制所述检测探头移动，保持所述检测探头与光学元件表面被照射位置之间的水平距离不变。

进一步地，所述信号放大模块包括三级放大电路，前级放大电路包括双运放前级放大器，中间级放大电路包括共模取样驱动电路及容阻耦合电路，后级放大电路包括锁相放大器。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的光学元件损伤的在线监测方法即系统，通过光源照射光学元件产生的超声信号，即采用光致声场效应，判断光学元件的损伤情况，实现了激光器在正常工作情况下对光学元件损伤情况的实时在线监测；同时，通过获取超声信号的传播参数可以计算得到光学元件损伤位置与尺寸，便于详细了解光学元件损伤情况。由此，在激光器正常工作情况下可以及时移动透镜位置，避开损伤区域，利于激光器寿命的提高。此外，该在线监测方法不仅可以对光学元件表面亚表面的损伤情况进行检测，而且也可以对距离光学元件表面cm量级的内部损伤进行检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例中光学元件损伤的在线监测系统的结构框图；

图2为本发明实施例中光学元件损伤示意图；

图3为本发明实施例中光学元件损伤的在线监测系统监测流程图；

图4为本发明另一实施例中光学元件损伤的在线监测系统的结构框图

图5为本发明实施例中光学元件损伤的在线监测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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。

本发明实施例提供一种光学元件损伤的在线监测系统，如图1所示，该系统包括：激光超声激励单元10、激光超声检测单元20、超声数据处理单元30，激光超声激励单元10包括光源，光源发出的光入射到光学元件表面预设位置，产生超声信号；激光超声检测单元20接收超声信号，将超声信号转换为电信号输出至超声数据处理单元30；超声数据处理单元30包括信号转换模块以及位置计算模块，信号转换模块将电信号转换为数字信号，将数字信号进行分析处理；位置计算模块根据处理后的数字信号、超声信号在光学元件中的传播速度、损伤直径、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤位置。

在一实施例中，光源可以选择脉冲红外激光器，发出脉冲激光入射到光学元件，产生超声。当采用激光器辐照光学元件时，由于它对光的吸收会使其内部温度改变，从而引起其体积的涨缩，因而可以辐射声波。具体地，激光器光波波长、脉冲能量、脉冲宽度、激光光斑直径以及脉冲重复频率等参数影响激光超声的激发效率，可以根据成像深度和成像分辨率要求选择。在本发明的实施中，为达到1cm成像深度以及10μm的成像分辨率，选择钇铝石榴石晶体nd：yag脉冲红外激光器，激光光波波长为1064，激光单次脉冲能量最大值为20mj(连续可调)，重复频率为1khz。被检测光学元件可以是激光系统中常用的元件，例如透镜等。

在一实施例中，当光学元件发生损伤时，可以认为理想情况下损伤的形貌为球状，如图2所示，光学元件损伤大小直径用φ表示，超声波在光学元件内部传输的速度为cb，在激光超声检测单元中设置检测探头接收超声信号，检测探头和光入射位置之间的距离为一定值w，表面波传到检测探头的时长不变，根据几何关系可以知道，光学元件损伤的位置位于光入射位置和检测探头的中点位置时体波的声程最短，所对应的时间间隔最小。记录此时激光激发超声信号到被检测到的时刻差为t1，光学元件损伤位置可以由公式(1)计算。

其中，如图2所示，a表示损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离。

在一实施例中，如图2所示，超声波到达损伤边界后还有另一条声程路径，即通过损伤下边界传播，最后被同一个检测探头检测到，此时对应的声程路径为c1、c2、c3，该超声波从激发到被检测到的时刻差记为t2，则损伤直径可以按照公式(2)进行计算。

其中，β表示损伤上边界与光学元件表面之间的垂直距离。

本发明实施例提供的光学元件损伤的在线监测系统，通过设置激光超声检测单元、超声数据处理单元，采用光致声场效应，实现了激光器在正常工作情况下对光学元件损伤情况的实时在线监测；同时，通过获取超声信号的传播参数可以计算得到光学元件损伤位置与尺寸，便于详细了解光学元件损伤情况。由此，在激光器正常工作情况下可以及时移动透镜位置，避开损伤区域，利于激光器寿命的提高。此外，该在线监测系统不仅可以对光学元件表面亚表面的损伤情况进行检测，而且也可以对距离光学元件表面cm量级的内部损伤进行检测。

在一实施例中，激光超声激励单元10还包括：振镜扫描模块，超声数据处理单元接收到光学元件表面预设位置的电信号后，控制振镜扫描模块沿光学元件表面进行扫描，改变光学元件表面被照射位置。具体地，当振镜扫描模块沿光学元件表面扫描导致光学元件表面被照射位置发生变化时，超声数据处理单元30控制检测探头移动，保持检测探头与光学元件表面被照射位置之间的水平距离不变。

在一实施例中，检测探头可以选择压电探头即换能器，该检测探头设置在光学元件光入射表面的同侧，可以采集产生的超声信号，并将超声信号转换为电信号。具体地，检测探头与光学元件使用耦合剂连接，另一端经过信号放大模块与超声数据处理单元相连，其探测频率与压电材料的厚度及尺寸相关。例如，可以采用压电陶瓷(pzt)作为探头，其中心频率，探头直径会影响图像质量。因此选择直径小，带宽2khz，中心频率为10khz的压电探头构成检测探头。

在一实施例中，信号放大模块包括三级放大电路，前级放大电路包括双运放前级放大器，中间级放大电路包括共模取样驱动电路及容阻耦合电路，后级放大电路包括锁相放大器。具体地，信号放大模块用来将检测探头输出阻抗与超声数据处理单元输入阻抗相匹配，使检测探头输出信号尽可能被后续接收器件所收集，且可以提高输出光声压电信号的信噪比，并放大输出。

可选地，可以设置信号放大模块的放大倍数为1000倍，带宽为2khz，采用三级放大，每级放大10倍。为了提高输入阻抗及共模抑制性能，前级放大电路采用并联型双运放；中间级放大电路采用共模取样驱动电路及容阻耦合电路，使后端差动放大电路取得高的差模增益和共模抑制比，同时，中间级放大电路中还设置极化电压调节电路来消除直流电压偏移；后级放大电路选择锁相放大器，可以对微弱光声压电信号进行处理。通过锁相放大器可以从背景噪声中拾取出该微弱光声压电信号，其中锁相放大器的参考信号由激光器的工作触发信号提供。

在一实施例中，超声数据处理单元30可以由硬件平台和软件界控制面两部分组成；其中，硬件平台包括ni采集卡、nipxie机箱、nipxie嵌入式控制器等。采集卡使用nipxi-5152示波器卡；pxie机箱使用nipxie-1082机箱。pxie嵌入式控制器使用pxie-8133控制器，该控制器集成cpu，内存，硬盘，主板等，可安装xp，win7系统，软件控制界面采用labwindows/cvi工具编写。

具体地，超声数据处理单元30可以由采集卡接收电信号，将电信号转换为数字信号，将数字信号进行分析处理时可以采用小波变换进行分析，有效解决时间和频率分辨率的矛盾，以提高信噪比。

在一实施例中，该在线监测系统的工作流程如图3及图4所示，激光器1发出激光，经激光超声激励单元内部的扩束模块、振镜扫描模块2、聚焦模块3后入射到光学元件4；光学元件4所产生的超声信号由换能器5接收，并经信号放大模块6放大后输入采集卡7，采集卡7完成某一位置数据采集后输入到控制器8，产生触发信号，通过步进电机控制振镜扫描模块2沿x、y方向扫描，进而控制光学元件4表面的光点移动。完成一轮采样后，超声数据处理单元30对采集到的数据进行分析，给出光学元件损伤位置的信息。

具体地，激光在光学元件表面入射处激发超声波，超声波在被检测光学元件内部传播并于内部损伤处发生反射，反射后的超声波被检测探头探测，声程在图3中用a、b标识,激光入射位置到检测探头的直线距离为w，入射光斑首先停留在预设位置，在振镜扫描模块的作用下，以固定步距移动进行扫描，同时令检测探头随光斑做同向同步距移动以保持w不变。光斑移动过程中，检测探头实时记录当前超声信号，将超声信号与光斑所在位置关联。扫描结束后，通过分析超声数据处理单元得到的数字信号判断损伤情况，标注损伤的位置。

本发明实施例还提供一种光学元件损伤的在线监测方法，如图5所示，该在线监测方法包括如下步骤：

步骤s101：获取光学元件表面预设位置被照射时产生的超声信号；具体地，可以选择脉冲红外激光器发出脉冲激光入射到光学元件表面预设位置，产生超声。其中，激光器光波波长、脉冲能量、脉冲宽度、激光光斑直径以及脉冲重复频率等参数影响激光超声的激发效率，可以根据成像深度和成像分辨率要求选择。在本发明的实施中，为达到1cm成像深度以及10μm的成像分辨率，选择钇铝石榴石晶体nd：yag脉冲红外激光器，激光光波波长为1064nm，激光单次脉冲能量最大值为20mj(连续可调)，重复频率为1khz。可选地，对于光学元件可以是激光系统中常用的元件，例如透镜等。

步骤s102：将超声信号转换为数字信号；具体地，可以在光学元件表面激光入射同侧设置检测探头接收超声信号，同时将接收的超声信号转换为电信号；之后可以采用采集卡接收电信号转换为数字信号，对于转换的数字信号可以采用小波分析进行处理。

步骤s103：根据数字信号、超声信号在光学元件中的传播速度、损伤直径、光学元件表面预设位置以及超声信号的出射位置计算损伤位置。具体地，当光学元件发生损伤时，可以认为理想情况下损伤的形貌为球状，光学元件损伤大小直径用φ表示，超声波在光学元件内部传输的速度为cb，在激光超声检测单元中设置检测探头接收超声信号，检测探头和光入射位置之间的距离为一定值w，表面波传到检测探头的时长不变，根据几何关系可以知道，如图2所示，光学元件损伤的位置位于光入射位置和检测探头的中点位置时体波的声程最短，所对应的时间间隔最小。记录此时激光激发超声信号到被检测到的时刻差为t1，光学元件损伤位置可以由公式(1)计算。

其中，如图2所示，a表示损伤上边界与光学元件表面预设位置之间的距离。

在一实施例中，如图2所示，超声波到达损伤边界后还有一条声程路径，即通过损伤下边界传播，最后被同一个检测探头检测到，此时对应的声程路径为c1、c2、c3，该超声波从激发到被检测到的时刻差记为t2，则损伤直径可以按照公式(2)进行计算。

其中，β表示损伤上边界与光学元件表面之间的垂直距离。

本发明实施例提供的光学元件损伤的在线监测方法，通过光源照射光学元件产生的超声信号，即采用光致声场效应，判断光学元件的损伤情况，实现了激光器在正常工作情况下对光学元件损伤情况的实时在线监测；同时，通过获取超声信号的传播参数可以计算得到光学元件损伤位置与尺寸，便于详细了解光学元件损伤情况。由此，在激光器正常工作情况下可以及时移动透镜位置，避开损伤区域，利于激光器寿命的提高。此外，该在线监测方法不仅可以对光学元件表面亚表面的损伤情况进行检测，而且也可以对距离光学元件表面cm量级的内部损伤进行检测。

在一实施例中，该光学元件损伤的在线监测方法还包括：改变光学元件表面被照射位置，重复上述光学元件损伤的在线监测方法再次计算损伤位置；具体地，在获取到光学元件表面预设位置的超声信号转换的数字信号后，可以改变光学元件表面被照射位置，例如可以在光源和光学元件之间设置振镜扫描模块，控制振镜扫描模块沿光学元件表面进行扫描，完成对该光学元件的采样。具体地，当振镜扫描模块沿光学元件表面扫描导致光学元件表面被照射位置发生变化时，可以同时同步控制检测探头移动，保持检测探头与光学元件表面被照射位置之间的水平距离不变。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。