CN101226148B - 紫外光学元件激光损伤阈值的探测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的紫外光学元件激光损伤阈值的探测方法及其装置,利用激光器发出的激光辐照在被测紫外光学元件表面所产生的荧光,观测紫外光学元件表面的形貌变化,该激光器是KrF激光器,通过观测紫外光学元件表面荧光强度分布的畸变来观测紫外光学元件表面的形貌变化。该探测方法及装置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。
Description
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激光器照射紫外光学元件表面激发的荧光成像探测紫外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***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***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***,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***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与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***与ISO11254规定的100~150倍放大率Normaski显微镜检测***的一致性,采用灵敏度相同或者更优良的其它任何检测***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。
本发明所提供的紫外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紫外光学元件表面,观测紫外光学元件表面的形貌变化,该激光器是KrF激光器,通过观测紫外光学元件表面荧光强度分布的畸变来观测紫外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。
本发明所提供的紫外光学元件激光损伤阈值的探测装置,该装置包含激光辐照***,辐照光参数监测***,损伤探测***。所述的激光辐照***包含有KrF激光器(1),像传递透镜f1、f2、f3,第一45°高反镜(2a),第二45°高反镜(2b),能量衰减器(3),能量计(4),分光片(5),待测紫外光学元件(6),CCD阵列探测器(8),该装置的光路是,由KrF激光器(1)发出空间分布均匀的激光,由透镜f1、f2组成一个像传递将激光引至待测紫外光学元件(6),在f1、f2像传递中间置有第一45°高反镜(2a)、第二45°高反镜(2b)、能量衰减器(3)、能量计(4)、分光片(5),由f2、f3组成另一个像传递,将待测紫外光学元件(6)发出的荧光引至CCD阵列探测器(8),在f2、f3组成的像传递中间置有第二45°高反镜(2b)。
紫外线的荧光效应是一种光致发光。当光束照射到光学元件上时,会发生三种情况:一部分光被反射,一部分光被材料吸收,另一部分透射出去。由于紫外线光量子具有较大的能量,当物质吸收了紫外线后,内部的分子将发生能量状态变化而在不同能级间跃迁,发射出荧光,这一现象即紫外线荧光效应。当紫外线照射到不同物质时,这些物质有选择地吸收后,发射出不同波长和不同强度的可见光。光学元件表面的损伤是由元件表面存在的缺陷、杂质或沾染等对辐照光的强吸收中心造成的。这些损伤中心的分子因大量吸收KrF激光光子能量而被激发到较高的能级,在退激过程中,发出强度远大于完好镜面的荧光。因此,空间分布均匀的KrF激光照射在光学元件表面时,可利用荧光的强度分布的畸变,有效的观测到损伤区域的形成和发展过程。
本发明所提供的紫外光学元件激光损伤阈值的探测方法及装置是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。用本发明提供的方法探测到紫外光学元件的损伤可以与国际标准要求的用Normaski显微镜观测结果一致。
附图说明
图1紫外光学元件激光辐照***光路示意图
1KrF激光器,2a第一45°高反镜,2b第二45°高反镜,3能量衰减器,
4能量计,5分光片,6待测紫外光学元件,8CCD阵列探测器。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明做进一步说明。
实施例1:
如图1所示,由KrF激光器(1)发出脉冲宽度24ns的激光,以0°入射角均匀辐照待测紫外光学元件(6)表面直径为2mm的区域,由透镜组f1、f2将均匀分布的光束截面像传递到待测紫外光学元件(6)的前表面,激光在完好紫外光学元件表面激发了荧光光斑,通过透镜f2、f3组成的荧光显微镜放大3倍,并成像在CCD阵列探测器(8)上,以观测待测紫外光学元件(6)表面的变化,判别待测紫外光学元件(6)是否被损伤。KrF激光器(1)输出的激光能量通过能量衰减器(3)衰减后由分光片(5)反射10%至能量计(4),作为待测紫外光学元件(6)表面辐照能量检测。
其中,KrF激光器(1)的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。光路中第一45°高反镜(2a)、第二45°高反镜(2b)的基底材料为紫外石英玻璃。这种高反镜对波长280nm以下的紫外光全反射,同时过滤荧光光束的紫外杂散光。
在上述条件下,利用荧光成像技术观察待测紫外光学元件(6)激光损伤产生、发展过程。当无损伤时。从待测紫外光学元件(6)表面发出的荧光较均匀,待测紫外光学元件(6)表面被连续激光脉冲照射后发生损伤,损伤部位发射的荧光明显增强,继续照射镜面,损伤扩展至整个照射区域以至CCD阵列探测器(8)饱和,此时目视可观测到待测紫外光学元件(6)表面的等离子体发光。待测紫外光学元件(6)经KrF激光器(1)照射后,所得结果与Normaski显微镜对激光损伤进行判读的结果一致。
Claims (4)
1.紫外光学元件激光损伤阈值的探测方法,利用探测装置中的激光器发出的激光辐照在被测紫外光学元件表面,观测紫外光学元件表面的形貌变化,其特征在于:
所述的探测装置包含激光辐照***,辐照光参数监测***,损伤探测***,其中,所述的激光辐照***包含有KrF激光器(1),像传递透镜f1、f2、f3,第一45°高反镜(2a),第二45°高反镜(2b),能量衰减器(3),能量计(4),分光片(5),待测紫外光学元件(6),CCD阵列探测器(8),该装置的光路是,由KrF激光器(1)发出激光,由透镜f1、f2组成一个像传递将激光引至待测紫外光学元件(6),在f1、f2像传递中间置有第一45°高反镜(2a)、第二45°高反镜(2b)、能量衰减器(3)、能量计(4)、分光片(5),由f2、f3组成另一个像传递,将待测紫外光学元件(6)发出的荧光引至CCD阵列探测器(8),在f2、f3组成的像传递中间置有第二45°高反镜(2b);
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,其辐照光斑直径为1~2mm,其辐照区域间隔取测试点中心距4~6mm,脉冲宽度为20~24ns;
所述的观测紫外光学元件表面的形貌变化是观测紫外光学元件表面荧光强度分布的畸变。
2.根据权利要求1所述的紫外光学元件激光损伤阈值的探测方法,其特征在于,所述的第一45°高反镜(2a)和第二45°高反镜(2b)的基底材料为紫外石英玻璃。
3.紫外光学元件激光损伤阈值的探测装置,其特征在于,该装置包含激光辐照***,辐照光参数监测***,损伤探测***,所述的激光辐照***包含有KrF激光器(1),像传递透镜f1、f2、f3,第一45°高反镜(2a),第二45°高反镜(2b),能量衰减器(3),能量计(4),分光片(5),待测紫外光学元件(6),CCD阵列探测器(8),该装置的光路是,由KrF激光器(1)发出激光,由透镜f1、f2组成一个像传递将激光引至待测紫外光学元件(6),在f1、f2像传递中间置有第一45°高反镜(2a)、第二45°高反镜(2b)、能量衰减器(3)、能量计(4)、分光片(5),由f2、f3组成另一个像传递,将待测紫外光学元件(6)发出的荧光引至CCD阵列探测器(8),在f2、f3组成的像传递中间置有第二45°高反镜(2b);
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,其辐照光斑直径为1~2mm,其辐照区域间隔取测试点中心距4~6mm,脉冲宽度为20~24ns;
所述的紫外光学元件激光损伤阈值的探测装置用于观测紫外光学元件表面荧光强度分布的畸变。
4.根据权利要求3所述的紫外光学元件激光损伤阈值的探测装置,其特征在于,所述的第一45°高反镜(2a)和第二45°高反镜(2b)的基底材料为紫外石英玻璃。
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CN107870162A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-04-03 | 电子科技大学 | 提高光学元件在纳秒三倍频激光辐照下损伤阈值的方法 |
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Publication number | Publication date |
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CN101226148A (zh) | 2008-07-23 |
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