[发明专利]一种大口径光学元件表面吸收型缺陷分布快速成像的方法

说明书

本发明公开了一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布的快速成像方法，运用高能量脉冲激光经准直扩束形成大尺寸激励光斑对光学元件进行照射加热，光学元件表面及亚表面的吸收型缺陷在样品内形成瞬态温度分布及折射率分布。经过一定延时后，运用另一束低能量脉冲激光经准直扩束形成大尺寸探测光斑穿过光学元件被照射的相同区域，其衍射光场分布由CCD记录。通过控制激励和探测激光脉冲之间的延时并分析CCD记录的衍射光场图像特征确定光学元件被照射区域是否存在吸收型缺陷以及相应特征。本方法保留了传统光热透镜技术探测灵敏度和分辨率高等优点，并极大地提高了单次探测面积，使大口径光学元件吸收型缺陷分布的快速检测成为可行。

技术领域

本发明涉及光学元件检测领域，特别涉及一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布的高分辨、快速、无损成像探测的方法。

背景技术

光吸收特性是衡量光学元件质量的一个重要指标。对于强激光系统而言，光学元件吸收损耗分布的表征与控制尤为重要，因为吸收中心会导致激光能量损失、局域温升增强、光束质量下降、甚至激光损伤的发生。在导致上述问题的诸多原因中，光学元件的表面和亚表面吸收型缺陷是一个主要原因。与体吸收型缺陷相比，表面和亚表面吸收型缺陷更为常见。大量实践表明，实际测得的光学元件激光损伤阈值远低于理论估算的材料体损伤阈值。这是由于光学元件表面加工工艺带来的表面缺陷数量远多于体缺陷，而导致最终强激光损伤的缺陷也多为表面和亚表面吸收型缺陷。

在表征光学元件吸收特性的诸多技术中，光热吸收测量系列技术具有无损、非接触、高空间分辨率(最高可达亚微米量级)、高灵敏度(弱吸收测量优于0.1ppm)等优点，已经成为光学元件吸收特性表征的一大主流无损检测手段。光热吸收测量系列技术包括激光量热技术、基于光热表面形变(热弹效应)的光热偏转技术、基于光热折射率变化(热光效应)的光热透镜技术等。以光热透镜技术为例，其测量原理为：用一束聚焦的加热激光束照射光学元件，光学元件的光吸收特性以及热扩散特性会导致样品中产生具有一定特征的温升分布；根据热光效应理论，上述温升分布伴随着材料折射率改变的分布；然后用另一束探测激光经过该折射率改变的区域从而产生衍射，通过探测衍射光场的分布特征来确定光学元件的光吸收特性。该方法已经广泛应用于光学、化学、生物等各种材料光吸收特性的无损表征中。

然而，针对大口径光学元件(尺寸一般在100×100mm²以上)吸收特性空间分布成像的需求，上述基于聚焦激光激励、单点探测器测量的光热技术在逐点扫描模式下需要花费极长的时间才能完成覆盖整个光学元件的成像：假设逐点扫描的步长为50μm，每个测量点需要 1s的数据采集、处理、和移动到下一个测量点的时间(已经很快)，那么完成一个400×400mm²的元件检测需要大约2年的时间，显然缺乏技术现实性；如果为了加快扫描速度而增大扫描步长、减少探测点数，那么这种成像检测对于大口径光学元件而言只能算是随机抽样，其缺陷探测的随机性将使得表征效果大打折扣。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何在保留传统光热技术高灵敏度、高空间分辨率的优点同时，利用大尺寸激励与检测光斑以及CCD的面探测能力，提高单次探测面积，使大口径光学元件吸收型缺陷分布的快速检测成为可行。

为实现上述目的，本发明提出一种大口径光学元件表面及亚表面吸收型缺陷分布快速成像的方法，其测量系统包括激励激光1及其扩束系统2、探测激光3及其扩束系统4、合束镜5、4f系统8、窄带滤光片9、CCD10、和同步系统11，其特征在于：

运用高能量脉冲激光1、经过准直扩束系统2后对光学元件6进行照射加热，光学元件表面及亚表面的吸收型缺陷7由于光吸收产生的温升以及热扩散在样品内形成瞬态温度分布以及折射率分布，经过一定的时间延迟后，运用另一束低能量脉冲激光3、经过准直扩束系统4和合束镜5，形成大尺寸探测光斑穿过光学元件被高能量激光脉冲1照射的相同区域，其衍射光场分布经4f光学系统8和窄带滤光片9后被CCD10记录。通过控制激励激光脉冲和探测激光脉冲之间的延迟时间并分析CCD记录的衍射光场图像特征确定光学元件被照射区域是否存在吸收型缺陷以及相应特征。