[发明专利]光学元件激光损伤阈值的探测方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于探测光学元件损伤的方法，具体涉及一种用KrF激光器照射光学元件表面激发的荧光成像探测光学元件激光损伤阈值的方法及其装置。

背景技术

在高功率激光系统中，存在大量的光学元件，这些光学元件的抗光损伤能力的与系统正常运行密切相关。损伤的产生会导致光束质量下降，在损伤点产生的热效应可能会造成光学元件的爆炸，由于光束在损伤点的衍射造成其它光学元件的损伤。光学元件的辐照损伤是元件与强激光相互作用的结果，评判光学元件质量优劣的一个重要指标就是光学元件的激光损伤阈值，阈值的大小就直接反映了光学元件的质量高低。

现有技术中，主要是利用激光和光学元件相互作用产生的各种效应探测光学元件的损伤及损伤阈值。例如：方法一，等离子体闪光判别法，当作用于镀有薄膜的光学元件表面的激光功率较大时，薄膜的吸收系数不再是常数，同时因脉冲作用时间很短，来不及发生热传导，从而辐照位置处迅速升温，产生汽化，进而物质蒸汽中的原子被激发或离化，形成等离子体闪光。等离子体闪光在向外喷溅带走汽化的膜料物质同时，还产生冲击波对膜层施以机械作用，最终引起膜层的永久损伤。当对作用点产生的谱线进行诊断时，若发现被作用处已产生激光等离子体闪光，损伤也就产生了。然而，实际上在产生等离子体闪光之前，膜层可能已产生了一定的损伤，所以采用该方法的探测灵敏度较低，而且也不能在线直观观测到损伤区域的损伤过程及形貌特征。方法二，激光透射反射扫描法，把连续激光斜射在脉冲强激光的损伤作用点，分别测出受脉冲激光辐照前后的连续激光的反射能量和透射能量，当反射光能或透射光能出现改变时，由于透射比和反射比可以反映出光学元件薄膜对激光的传输性能，以此来判别光学元件表面是否发生损伤，该方法虽然适用于现场测试，但因观测对象是探测光的特征，很难对损伤区域的形貌特征进行直观观测。方法三，散射法，用主动式光源照明被检的光学元件，如果光学元件存在损伤，则损伤点会产生散射光，利用光探测系统探测损伤点产生的后向散射光，则可探测到杂散光信号，如果被检测光学元件无损伤，则探测不到散射光。该方法类似于方法二，虽然适用现场测试，但因观测对象是探测光的特征，很难对损伤区域的形貌特征进行直观观测。方法四，光热法，由于激光作用引起光学元件表面薄膜的结构及性能发生变化，光热信号也随着变化。当观察到光热信号发生不可逆变化时，薄膜的热性能也发生不可逆的变化，这时薄膜已经发生了损伤，由此可以判别损伤阈值。该方法也不能直观观测损伤区域的形貌特征。方法五，光声法，光学元件表面薄膜在受损伤后，其膜层内的光声波的波形发生变形，波幅急剧增大，通过光声探测器观测光声信号的变化，可以判别光学元件的损伤阈值，该方法测试的精度依赖于光学材料对激光的吸收系数和光声转换效率，对镀紫外高反膜的光学元件探测效果较好，对紫外透射元件的测试结果不理想，同时也不能用于辐照区域形貌特征的直观观测。

以上五种判别损伤的方法，各个损伤判别方法的标准有一些差异，为此，国际标准ISO11254定义损伤是指用规定的检验技术能够观测到激光导致光学元件表面特征的任何变化。因此，只要能判明所采用的检测系统与ISO11254规定的100～150倍放大率Normaski显微镜检测系统的一致性，采用灵敏度相同或者更优良的其它任何检测系统进行光学元件测试都是合适的。以上五种判别损伤的方法均存在不能在线直观观测辐照区域形貌的缺点。在刘强，林理彬，祖小涛，甘荣兵，强激光辐照损伤判别方法，激光杂志，2002，23(4)，一文中提到当元件不透明时，在激光入射的一侧观察元件表面是否产生荧光可以判别光学元件损伤，但该文中并未说明具体的判别方法以及装置。

发明内容

本发明提供了一种可直观观测损伤的产生和发展过程，适于各类紫外光学元件表面损伤的在线测试，且灵敏度较高的探测方法及装置。

本发明所提供的光学元件激光损伤阈值的探测方法，利用激光器发出的激光辐照在被测光学元件表面，观测光学元件表面的形貌变化，该激光器是KrF激光器，通过观测光学元件表面荧光强度分布的畸变来观测光学元件表面的形貌变化。

所述的激光辐照，其辐照方式是用相同能量光脉冲以相同时间间隔在元件的同一区域辐照5～100次，辐照光斑直径为1～2mm，辐照区域间隔取测试点中心距4～6mm，脉冲宽度为20～24ns。