CN103226057B - 一种真空环境下高效率多功能的激光损伤测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空环境下高效率多功能的激光损伤测试装置和方法，真空腔内的样品台一次可以放入五个样品，通过旋转样品台，可以将样品依次旋转至激光辐照位置进行激光损伤测试，利用CCD相机在线成像和散射光探测装置以及压力探测元件进行在线监测、判断损伤情况，还可以将样品旋转至观察窗用显微镜离线观察分析其损伤形貌。同时样品台的旋转又能够实现样品的正面和背面分别接受激光辐照的功能。该装置简单易操作，极大地节省了真空环境下的损伤测试时间，提高了损伤测试的效率，同时测试方法和功能多样，能够得到比较全面的损伤信息。

Description

一种真空环境下高效率多功能的激光损伤测试装置和方法

技术领域

本发明涉及光学元件在真空环境下的抗激光损伤性能的测试领域，具体涉及一种真空环境下高效率多功能的激光损伤测试装置和方法。

背景技术

光学元件在激光加工、激光武器以及高功率激光***等领域有着广泛的应用，是光学***中必不可少的基本元件。而随着激光器输出能量的不断提高，光学元件的激光损伤阈值已成为制约强激光技术进一步发展的关键因素，也是限制激光技术向高能量、高功率方向发展的薄弱环节。为了深入分析光学元件的损伤性能和损伤机制，准确评价光学元件的抗激光损伤能力，需要不断地发展和完善激光损伤阈值的测量技术，从而指导薄膜制备工艺的优化和改进。

随着激光***在空间领域和真空环境的广泛应用，光学薄膜元件在真空环境下的应用越来越广泛，真空环境下光学薄膜元件的激光损伤特性相对于大气环境下的损伤特性具有其自身的特殊性，在真空环境下影响光学薄膜元件的激光损伤的因素大大增加。真空环境下存在一些特殊的过程，如材料的放气过程、激光辐照材料的分解过程和游离粒子的附着过程等，从而使得光学薄膜元件在真空环境下的激光损伤阈值很大程度的降低。然而在真空环境下光学薄膜元件的抗激光辐照能力直接关系到激光***能否在真空和空间环境中运行成功。所以研究真空环境下的光学薄膜的损伤特性具有很重要的作用。

研究真空环境下的激光损伤特性需要的实验装置要比大气环境下的复杂，需要建立一个高真空的环境，要严格确保光学薄膜元件所在环境的真空度，同时还需要真空监测设备，还要解决通过怎样的方式来监测样品的损伤。因为样品是放在真空腔内，怎样监测样品的损伤，如何放置损伤探测***等都是需要考虑的问题，所以研究光学薄膜元件在真空环境下的损伤特性要比在大气环境下的难度要相对大一些。

目前比较常见的真空测试装置一次只能放入一个样品，用真空泵抽好几个小时的真空后才能进行试验，一个样品测试完之后，需要打开真空腔换样品，然后还要重新进行抽真空。另外一旦样品放进真空腔内，只能通过在线监测的方法来判断、观察其损伤情况，如果想在实验的过程中对样品的损伤形貌用高倍显微镜进行更细致的观察和拍照则需要将样品拿出真空腔，这样在观察完后要继续进行激光损伤的话又要重新抽真空。还有对于有些特殊的薄膜样品，从背面和正面进行激光辐照其损伤特性是不一样的，对于这样的样品，需要在测试的过程中打开真空腔翻转样品方向，同样破坏了真空度，还需要重新抽真空。所以目前的装置和测试方法实现真空环境下的损伤测试是特别浪费时间的，效率极低且功能单一。

发明内容

本发明为了解决上述技术的不足，提供了一种真空环境下高效率多功能的激光损伤测试装置和方法。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种真空环境下高效率多功能的损伤阈值测量装置，包括：Nd:YAG激光器1、He-Ne探测激光器2、压力探测元件6、真空腔7、第一CCD相机10、高倍显微镜12、电机***14、被测样品16、光电探测元件 18、 第二CCD相机19和计算机20，其中：真空腔7固定于电机***14上，真空腔7一侧水平设有激光入射窗口3，另一侧水平设有激光出射窗口9，一侧中上方设有探测激光入射窗口4，一侧中下方设有探测激光出射窗口17，顶部设有压力探测窗口5，另一侧中下方设有CCD相机监测窗口11，另一侧中上方设有真空泵窗口8，下方设有离线观察窗口13，真空腔7内设置有旋转样品台15，被测样品放置于旋转样品台15上；探测激光入射窗口4放置有He-Ne探测激光器2，探测激光出射窗口17放置有光电探测元件18和第二CCD相机19，压力探测窗口5放置有压力探测元件6，CCD相机监测窗口11放置第一CCD 相机10，离线观察窗口13安装有高倍显微镜12，Nd:YAG激光器1、压力探测元件6、第一CCD相机10、高倍显微镜12、电机***14、光电探测元件 18、第二CCD相机19分别连接计算机20，Nd:YAG激光器1的出光口对准激光入射窗口3的进光口，当被测样品16放置在激光入射窗口3位置时，通过第二CCD相机19对被测样品16表面实时摄像；当被测样品16旋转至激光出射窗口9位置时，通过第一CCD相机10对被测样品16表面实时摄像；当被测样品16旋转至离线观察窗口13时，通过高倍显微镜12对被测样品16进行离线观察分析。

本发明中，所述电机***14包括电动平移台和旋转电机。所述真空腔7位于电动平移台上方，真空腔7和被测样品16整体通过电动平移台控制做水平或竖直方向的运动。

本发明中，所述旋转样品台15是正十边形结构，其中五条边上设有五个被侧样品夹具，能够同时放置五个被测样品。

本发明中，所述旋转样品台15连接旋转电机，由旋转电机控制其做旋转运动。

本发明中，所述真空腔7连接真空泵，所述真空泵采用机械泵或涡轮分子泵。

本发明提出的真空环境下高效率多功能的激光损伤测试装置的使用方法，具体步骤如下：

A) 将被测样品固定在真空腔内的旋转样品台上，打开真空泵对真空腔抽真空，用压力计监控真空腔内的真空度；

B) 当真空腔内的真空度达到实验需要值时开始进行损伤阈值测试实验，首先打开He-Ne激光器发出激光辐照在被测样品表面，用光电探测元件接收被测样品表面的散射光；

C)用Nd:YAG激光辐照被测样品表面，利用电机***的电动平移台控制被测样品在垂直于激光辐照方向的平面内做竖直或水平方向的移动，实现1-on-1、R-on-1、S-on-1和光栅扫描测试方法，用第二CCD相机对被测样品表面实时摄像，同时压力探测元件监测真空腔内的压力变化；

D)通过观察散射光强的变化、真空腔的压力变化法和实时摄像的结果，综合三种方法确定样品的激光损伤阈值；

E)当步骤D)所述三种监测方法出现变化但不确定是否出现了损伤，利用旋转电机旋转旋转样品台，将被测样品旋转至离线观察窗口用高倍显微镜进行确定，然后将被测样品重新旋转至激光入射窗口位置继续进行测试。

F)在被测样品出现损伤时，将被测样品旋转至离线观察窗口用高倍显微镜进一步观察损伤形貌，分析损伤特征，并进行拍照；

G)对于需要从背面进行激光损伤测试的样品，可将旋转样品台旋转180度至激光出射窗口，此时其背面变为激光入射面，接受激光辐照，用第一CCD相机对其表面实时摄像，调整He-Ne探测激光器的探测光入射角度和光电探测元件的角度，重复C~F过程；

H)一个样品测试完之后，将旋转样品台旋转36度，使下一个被测样品旋转至激光入射窗口位置，重复步骤C)~G)，进行激光损伤阈值测试。

由于采用了上述方案，本发明具有以下优点：

1、高效率：真空腔内的样品台为正十边形，其中五个边上安装有样品夹具，能够一次性放入五个样品，而只需抽一次真空，在实验的过程中通过样品台的旋转，将每个样品旋转至激光入射窗口进行激光辐照，很大程度的节省了时间。

2、多功能：通过CCD实时摄像和散射光强法两种方法来实现在线监测样品的损伤，确定损伤阈值。 还可以通过旋转电机将样品旋转至离线观察窗口，用高倍显微镜来进一步分析、观察损伤形貌，进行拍照。同时还可以将样品旋转至激光出射窗口，此时样品背面变为激光辐照面，可以研究其背面接收激光辐照时的损伤特性。另外结合三种在线识别损伤的方法，能够识别出损伤是发生在样品表面还是在其体内，并可以通过高倍显微镜观察确认。

3、高精度：通过离线拍照可以记录损伤测试过程中每一阶段的形貌，拍照完成后通过旋转电机旋转至如射窗口继续进行激光辐照，电机的旋转确保了样品每次离线拍照完旋转至入射窗后能够精确定位于上次所在的位置，既确保了每次旋转后激光在样品上的辐照点位置不会发生变化。这一特点在损伤生长的研究中具有相当重要的作用。另外在线损伤监测时三种种方法同时监测，只要有一种方法识别到损伤立即停止激光辐照，相对只用一种方法来说具有高的灵敏度，能够更好的识别初始损伤，这对于研究光学元件的损伤机理是有很大帮助的。

附图说明

图1是本发明在真空环境下激光损伤阈值测量装置的示意图。

图2是样品旋转至激光出射窗口时从背面辐照的示意图。

图3是第二个样品旋转至激光入射窗口进行测试的示意图。

图中标号：1为Nd:YAG激光器，2为He-Ne探测激光器，3为激光入射窗口，4为探测激光入射窗口，5为压力探测窗口，6为压力探测元件，7为真空腔，8为真空泵窗口，9为激光出射窗口，10为第一CCD相机，11为CCD相机监测窗口，12为高倍显微镜，13为离线观察窗口，14为电机***，15为旋转样品台，16为被测样品，17为探测激光出射窗口，18为光电探测元件，19为第二CCD相机，20为计算机。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：参阅图1，Nd:YAG激光器1、He-Ne探测激光器2、压力探测元件6、真空腔7、第一CCD相机10、高倍显微镜12、电机***14、被测样品16、光电探测元件 18、 第二CCD相机19和计算机20。其中真空腔7的组件有激光入射窗口3、激光出射窗口9、探测激光入射窗口4、探测激光出射窗口17、压力探测窗口5、CCD相机监测窗口11、真空泵窗口8、离线观察窗口13和旋转样品台15。其中：

被测样品16放在真空腔7内的旋转样品台15上，真空腔7固定在电机***14上。

电机***14包括电动平移台和旋转电机。

所述被测样品16连同真空腔7整体由电动动平移台控制做水平或竖直方向的运动。

所述真空腔7内的旋转样品台15由旋转电机控制做旋转运动。

所述真空腔7内的旋转样品台15是正十边形，其中五条边上有五个样品夹具，能够同时放置五个样品。

所述真空腔探测激光入射窗口4可放置He-Ne激光器2，探测激光出射窗口17可放置光电探测元件18和第二CCD相机19。

当被测样品16放置在激光入射窗口3位置时，可用第二CCD相机19对其表面实时摄像，当被测样品16旋转至激光出射窗口9位置时，可用第一CCD相机10对其表面实时摄像。

所述真空腔7内离线观察窗口13安装有高倍显微镜12，将被测样品16旋转至此窗口时，可用高倍显微镜12对被测样品16进行离线观察分析。

所述真空腔7内压力探测窗口5安装有压力探测元件6探测真空腔内的真空度。

所述真空腔7内真空泵窗口8可连接机械泵和涡轮分子泵对真空腔7抽真空。

Nd:YAG激光器1、压力探测元件6、第一CCD相机10、高倍显微镜12、电机***14、光电探测元件18和第二CCD相机19都与计算机20相连接，计算机20可对各组件进行数据读取与控制。

一种利用上述装置的测试方法，包括以下步骤：

A、将被测样品16固定在真空腔7内的旋转样品台15上，打开真空泵对真空腔7抽真空，用压力探测元件6监控真空腔7内的真空度；

B、真空度达到实验需要值时开始进行损伤阈值测试实验，首先打开He-Ne探测激光器2发出激光辐照在样品表面，用光电探测元件18接收样品表面的散射光；

C、用Nd:YAG激光器1的激光辐照样品16表面，利用电动平移台控制样品16在垂直于激光辐照方向的平面内做竖直或水平方向的移动，实现1-on-1、R-on-1、S-on-1和光栅扫描测试方法，将第二CCD相机19对焦于样品16前表面，进行实时摄像，同时压力探测元件6监测真空腔7内的压力变化；

D、观察散射光强的变化、真空腔的压力变化和实时摄像的结果，综合三种方法确定样品的激光损伤阈值和判定损伤发生在样品表面还是体内：

① 散射光强和真空腔内压力其中之一发生变化，实时摄像结果也识别到有损伤点出现且无虚焦现象，则判定为损伤发生在样品的前表面；

② 散射光强无变化，真空腔内压力发生变化，实时摄像结果也识别到有损伤点出现且有虚焦现象，则判定为损伤发生在样品的后表面。因为探测激光一般是在样品的前表面发生散射的，所以样品后表面出现损伤点时散射光强不会发生变化，但是真空腔内压力会发生变化。由于CCD相机是对焦于样品前表面，所以识别到的后表面的损伤点会有虚焦放大的效果；

③ 散射光强和真空腔压力都无变化，实时摄像结果也识别到有损伤点出现且有虚焦现象，则判定为损伤发生在样品的体内。因为压力探测元件对样品表面的探测灵敏度是很高的，只要其表面发生损伤喷溅出颗粒，真空腔内压力会立即发生变化，但是如果损伤发生在样品体内，无颗粒喷溅，那么真空腔内压力就不会发生变化，但是CCD相机仍然会有虚焦放大的效果；

E、当三种监测方法监测的结果不同于D中①、②、③的情况，此时可利用旋转电机将样品旋转至离线观察窗口13用高倍显微镜12进行仔细分析确认损伤类型，然后将样品重新旋转至激光入射窗口位置继续进行测试。

F、在样品出现损伤时，将样品旋转至离线观察窗口13用高倍显微镜12进一步观察损伤形貌，分析损伤特征，并进行拍照和保存；

G、对于需要从背面进行激光损伤测试的样品，可将样品台旋转180度至激光出射窗口9，如图2所示。此时其背面变为激光入射面，接受激光辐照，用第一CCD相机10通过CCD相机监测窗口11对其激光入射面实时摄像，调整He-Ne探测激光器的探测光入射角度和光电探测元件的角度，重复C~F过程；

H、一个样品测试完之后，将样品台旋转36度，使下一个样品旋转至激光入射窗口位置，如图3所示，重复C~G，进行激光损伤阈值测试；

本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种真空环境下高效率多功能的损伤阈值测量装置，其特征在于包括：Nd:YAG激光器(1)、He-Ne探测激光器(2)、压力探测元件(6)、真空腔(7)、第一CCD相机(10)、高倍显微镜(12)、电机***(14)、被测样品(16)、光电探测元件 (18)、 第二CCD相机(19)和计算机(20)，其中：真空腔(7)固定于电机***(14)上，真空腔(7)一侧水平设有激光入射窗口(3)，另一侧水平设有激光出射窗口(9)，一侧中上方设有探测激光入射窗口(4)，一侧中下方设有探测激光出射窗口(17)，顶部设有压力探测窗口(5)，另一侧中下方设有CCD相机监测窗口(11)，另一侧中上方设有真空泵窗口(8)，下方设有离线观察窗口(13)，真空腔(7)内设置有旋转样品台(15)，被测样品放置于旋转样品台(15)上；探测激光入射窗口(4)放置有He-Ne探测激光器(2)，探测激光出射窗口(17)放置有光电探测元件(18)和第二CCD相机(19)，压力探测窗口(5)放置有压力探测元件(6)，CCD相机监测窗口(11)放置第一CCD 相机(10)，离线观察窗口(13)安装有高倍显微镜(12)，Nd:YAG激光器(1)、压力探测元件(6)、第一CCD相机(10)、高倍显微镜(12)、电机***(14)、光电探测元件 (18)、第二CCD相机(19)分别连接计算机(20)，Nd:YAG激光器(1)的出光口对准激光入射窗口(3)的进光口，当被测样品(16)放置在激光入射窗口(3)位置时，通过第二CCD相机(19)对被测样品(16)表面实时摄像；当被测样品(16)旋转至激光出射窗口(9)位置时，通过第一CCD相机(10)对被测样品(16)表面实时摄像；当被测样品(16)旋转至离线观察窗口(13)时，通过高倍显微镜(12)对被测样品(16)进行离线观察分析。

2.根据权利要求1所述的一种真空环境下高效率多功能的损伤阈值测量装置，其特征在于所述电机***(14)包括电动平移台和旋转电机；真空腔(7)位于电动平移台上方，真空腔(7)和被测样品(16)整体通过电动平移台控制做水平或竖直方向的运动。

3.根据权利要求1所述的一种真空环境下高效率多功能的损伤阈值测量装置，其特征在于所述旋转样品台(15)是正十边形结构，其中五条边上设有五个被测样品夹具，能够同时放置五个被测样品。

4.根据权利要求1所述的一种真空环境下高效率多功能的损伤阈值测量装置，其特征在于所述旋转样品台(15)连接旋转电机，由旋转电机控制其做旋转运动。

5.根据权利要求1所述的一种真空环境下高效率多功能的损伤阈值测量装置，其特征在于所述真空腔(7)连接真空泵，所述真空泵采用机械泵或涡轮分子泵。

6.一种如权利要求1所述的真空环境下高效率多功能的损伤阈值测量装置的使用方法，其特征在于具体步骤如下：

A) 将被测样品固定在真空腔内的旋转样品台上，打开真空泵对真空腔抽真空，用压力计监控真空腔内的真空度；

B) 当真空腔内的真空度达到实验需要值时开始进行损伤阈值测试实验，首先打开He-Ne激光器发出激光辐照在被测样品表面，用光电探测元件接收被测样品表面的散射光；

C)用Nd:YAG激光辐照被测样品表面，利用电机***的电动平移台控制被测样品在垂直于激光辐照方向的平面内做竖直或水平方向的移动，实现1-on-1、R-on-1、S-on-1和光栅扫描测试方法，用第二CCD相机对被测样品表面实时摄像，同时压力探测元件监测真空腔内的压力变化；

D)通过观察散射光强的变化、真空腔的压力变化法和实时摄像的结果，综合三种方法确定样品的激光损伤阈值；

E)当步骤D)所述三种监测方法出现变化但不确定是否出现了损伤，利用旋转电机旋转旋转样品台，将被测样品旋转至离线观察窗口用高倍显微镜进行确定，然后将被测样品重新旋转至激光入射窗口位置继续进行测试；

F)在被测样品出现损伤时，将被测样品旋转至离线观察窗口用高倍显微镜进一步观察损伤形貌，分析损伤特征，并进行拍照；

G)对于需要从背面进行激光损伤测试的样品，可将旋转样品台旋转180度至激光出射窗口，此时其背面变为激光入射面，接受激光辐照，用第一CCD相机对其表面实时摄像，调整He-Ne探测激光器的探测光入射角度和光电探测元件的角度，重复C~F过程；

H)一个样品测试完之后，将旋转样品台旋转36度，使下一个被测样品旋转至激光入射窗口位置，重复步骤C)~G)，进行激光损伤阈值测试。