[发明专利]大口径光学元件光学特性的快速检测方法及装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及光热检测领域，具体是一种利用能量回收镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用从而大幅度提高大口径光学元件光学特性检测速度的方法及装置。

背景技术

大口径光学元件是各类大型激光系统中不可缺少的关键元件。其光学特性是否能够满足设计要求常常是相关大型激光系统能否成功运行的关键。大口径光学元件，特别是用于强激光系统的大口径光学元件，通常对其光学吸收特性要求较高，一方面要求平均吸收较小，另一方面希望吸收特性比较均匀，尽量减少局部较大吸收缺陷的存在，以免产生局部激光破坏或者局部激光光束质量的下降。然而大口径光学元件吸收特性的精密测量目前并没有特别有效的方法，特别是当大口径光学元件吸收比较微弱，而同时又需要获得该吸收的空间分布特性的时候。

对于光学元件，特别是用于强激光系统的微弱吸收光学元件，其吸收特性的常用测量方法包括激光量热法以及其他各类光热测量方法，如基于光热表面变形的光热偏转法、表面热透镜法；基于光热折射率的光热偏转法、热透镜法等。这些方法都具有灵敏度很高（吸收率测量灵敏度可达10^-7-10^-8量级）、空间分辨率较高（可以比较容易的达到微米甚至亚微米量级横向空间分辨率）、非接触式测量等特点。

以表面热透镜技术为例，其基本原理是：材料在泵浦光作用下表面因吸收光能量引起局部温度升高，从而产生热形变。热形变的空间分布及其随时间的变化与泵浦光参数和材料特性紧密相关。这种表面形变会引起反射光波前特性的变化，产生类似于透镜的会聚或发散效应，因而称之为表面热透镜效应。

利用表面热透镜效应进行材料特性检测和分析的最常见方法是一束经过调制的泵浦光在被测样品表面诱导产生热形变，同时利用另一束探测光来探测表面热形变。在经过样品后的探测光路中的适当位置加入一个空间滤波器，通过测量经过空间滤波器进入光探测器的探测光能量变化来获得表面热形变的信息，从而获得相应的材料的吸收等特性。这种测量方法中为获得较好的响应，一般需要利用锁相技术。而对样品特性的二维检测则需要通过对样品进行逐点扫描来获得。

然而这种二维扫描方法应用于大口径光学元件时将会受到很大限制。主要原因是检测及成像速度太慢。一方面由于信号较弱，对每一个样品点都要进行一定时间的锁相积分；另一方面，样品每次移动都需要花费一定的移动和等待时间，以使整个系统从机械震动到局部温度都能达到新的平衡。把这种技术直接用于大口径光学元件测量，实际应用中基本是不可行的：假设用这种方法测量一件（1米 x 1米）的激光反射镜微弱吸收及其空间分布，即使空间分辨率只要求500微米（即每500微米x 500微米取样一点），那么把整个样品扫描完将需要556小时（假设每一点移动准备及积分测量时间累计只需500毫秒），这在实际应用中是很不现实的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大口径光学元件光学特性的快速检测方法及装置，利用能量回收镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用，解决利用光热效应进行大口径光学元件吸收测量过程中因为耗时过长而不能满足实际使用要求的问题。

本发明的技术方案为：

大口径光学元件光学特性的快速检测方法，包括以下步骤：

（1）、泵浦光束入射到被测样品的表面，并在被测样品的表面的第一个测量点产生光热效应，引起表面局部热形变；由样品表面反射的泵浦光束经能量回收反射镜反射后再次照射到样品表面上的测量点2，引起表面局部热形变；如此类推，泵浦光经能量回收反射镜后多次与被测样品表面相互作用，在被测样品表面的测量点1到测量点N都引起了表面局部热形变；

（2）、探测光束照射到被测样品上，并在被测样品表面上的测量点位置与泵浦光重叠，由于泵浦光引起的表面热形变，探测光的传播特性会发生改变，产生新增的会聚或发散效应；经被测样品反射的探测光束经过空间滤波器阵列和滤光片后达到光电探测器阵列，由光电探测器阵列检测。

所述的探测光束是由N束光束组成的探测光束组，每一束探测光束对应一个测量点；或是一束线形或椭圆形探测光斑，探测光斑的长轴方向与N个测量点的排列方向相一致，并且与所有测量点重叠。