[发明专利]一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置和方法

权利要求书

1.一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，包括：超快激光器(1)、可调衰减片(2)、快门(3)、聚焦透镜(4)、第一分光镜(5)、第一光电探测器(6)、供待测样品(7)放置的电控位移台(8)、第二分光镜(9)、第二光电探测器(10)、扩束镜组(11)、CCD相机(12)和计算机(13)；

所述的计算机(13)分别与所述的快门(3)、第一光电探测器(6)、电控位移台(8)、第二光电探测器(10)和CCD相机(12)相连；

沿所述的激光器(1)的激光输出方向上依次是可调衰减片(2)、快门(3)、聚焦透镜(4)和第一分光镜(5)，该第一分光镜(5)将入射光分为第一反射光束和第一透射光束，所述的第一反射光束由所述的第一光电探测器(6)接收，所述的第一透射光束经所述的待测样品(7)入射到第二分光镜(9)，经该第二分光镜(9)分束为第二反射光束和第二透射光束，所述的第二反射光束由所述的第二光电探测器(10)接收，所述的第二透射光束经所述的扩束镜组(11)入射到所述的CCD相机(12)；通过所述扩束镜组对焦点辐照位置的第二透射光放大，使激光损伤阈值和非线性吸收测量时具有相同的靶面光斑分布条件。

2.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的超快激光器(1)发出的激光光束为高斯光束；其输出波长λ在300nm至1200nm之间；其脉冲宽度τ在飞秒至亚纳秒之间；其重复频率R在1Hz至1kHz之间。

3.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，第一激光分光镜(5)和第二激光分光镜(9)是对波长λ的激光具有一定的透射/反射比。

4.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的快门(3)是电子机械快门或声光调制器，其通光口径应大于超快激光器(1)出射激光的直径。

5.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的可调衰减片(2)使得超快激光器(1)的出射激光能量或功率从0％至100％连续可调。

6.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)为可测量波长λ的激光的脉冲能量或功率的光电探测器。

7.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的电控位移台(8)为三轴位移平台；其z轴移动适用于z扫描测量待测样品(7)的非线性吸收系数，x-y轴移动适用于调整损伤阈值测量中待测样品(7)的位置。

8.根据权利要求1所述的激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量装置，其特征在于，所述的扩束镜组(11)由凹凸透镜组成，用于对激光焦点辐照样品的透射光扩束和准直。

9.一种激光损伤阈值和非线性吸收的共靶面测量方法，包括如下步骤：

一、测量波长λ的激光作用下待测样品的1-on-1零概率损伤阈值：

S1：根据测试需要，选择激光波长为λ的激光器(1)作光源，通过可调衰减片(2)调节波长为λ的激光(1)的输出能量，通过计算机(13)控制的快门(3)调节激光脉冲输出个数，采用聚焦透镜(4)将激光聚焦到样品表面；

S2：通过计算机控制的快门(3)和三轴电机运动平台(8)，使得样品(7)在x-y平面平移，并确保每个位置只受一个激光脉冲辐照；单脉冲激光的峰值能量密度由高到低调节，利用1-on-1模式进行单脉冲多能量密度台阶的辐照测试；测试前，需要用光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积A_eff；

S3：利用单脉冲激光进行辐照测试的同时，第一光电探测器(6)监测脉冲激光的能量；利用扩束镜组对焦点位置的透射光扩束成像，使激光损伤阈值和非线性吸收测量时具有相同的靶面光斑分布条件；

S4：CCD相机(12)收集准直的扩束光，观察样品表面形貌变化，表面形貌变化即认为发生损伤；第一光电探测器(6)所记录的能量和CCD相机(12)记录的样品(7)表面形貌均由计算机保存；

S5：利用第一能量计(6)测得单脉冲激光的能量，计算样品的激光零概率损伤阈值F_th，单位为J/cm²，为样品(7)不发生损伤时的对应的最大激光能量密度，公式如下：

F_th＝E/A_eff

式中：E-单脉冲激光的能量；A_eff-激光焦斑的有效面积；

二、测量波长为λ的激光作用下待测样品的非线性吸收系数：

S1：波长为λ的激光(1)作为光源，通过可调衰减片(2)调节波长为λ的激光的输出峰值功率；通过计算机(13)设置所述的三轴电机运动平台(8)的z轴运动和电子快门(3)同步工作；第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)记录z扫描过程中的激光功率变化，测量开孔透射z扫描数据。测试前，需要用光束质量分析仪测量激光焦斑的有效面积A_eff；

S2：将所述的待测样品(7)放置在所述的三轴电机运动平台(8)上，调整待测样品的测量面与所述的z轴(主光轴)垂直；所述的透镜(4)的焦点为位置z＝0，所述的待测样品(7)初始位置为-10z₀，z₀＝πω₀²/λ为激光的衍射长度，其中λ为激光波长，ω₀为激光束腰半径，可通过光束质量分析仪(14)测得；所述的计算机(13)控制所述的三轴电机运动平台(8)、第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)同时启动，待测样品(7)沿主光轴正向运动，经过透镜(4)的焦点，运动距离为20z₀；所述的第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)将探测的光强信号送入所述的计算机(13)并储存；以采集到的光强值I为纵坐标，z为横坐标，记录为透射开孔曲线I(z_n)，其中n＝1,2,3,……,N，N为采样点数，z_n为采样点的横坐标，z₁～z_N的坐标值为-10z₀～10z₀，焦点处横坐标为z_n＝0；

S3：有归一化开孔透过率曲线，取焦点处z_n＝0的开孔透过率值T(0)，带入下式得到待测样品(7)的非线性吸收系数β：

β＝2.83[1-T(0)]/I₀L_eff

式中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品(7)的有效厚度，α₀为样品的线性吸收系数，L为样品(7)的实际厚度，为激光束腰处的光功率密度。