CN104634539A - 高温环境下光学元件激光损伤阈值测试装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温环境下光学元件激光损伤阈值测试装置和测试方法，其特点是，在传统的光学元件抗激光损伤阈值测试光路的测试平台上固定特殊设计的高温箱，被测光学元件样品置于高温箱内部，高温箱通过加热板及温度控制***为被测试光学样品提供特定的温度环境。高温箱外设置另一个测试样品架，用于夹持另一个光学元件，该测试样品架可以根据测试样品的厚度在底板导槽内部前后移动，调节箱体外光斑测试样品架上光学元件样品表面位置与箱体内测试样品支撑架上光学元件样品的表面位置处于同一平面内。本发明具有高温环境下测试光学元件损伤阈值的能力，实现了高温条件下箱体内光学元件表面光斑尺寸的准确测试，获得高温环境下光学元件的抗激光损伤阈值。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件的激光损伤阈值测试，特别是一种高温环境下光学元件激光损伤阈值测试装置和测试方法。
背景技术
随着激光技术的发展和激光器输出功率水平的提高，对光学元件抗激光破坏能力的要求也越来越高。因此，正确评估光学元件的抗激光破坏能力是光学元件使用的前提条件。
现有的光学元件的抗激光损伤阈值测试装置，一般包括激光光源101、第一反射镜102、能量衰减器103、第二反射镜104、光束分束器105、聚焦凸透镜106、用于调整待测光学元件位置的三维平台107、能量探测器108、CCD探测器109和计算机110，沿所述的激光光源的激光输出方向依次是所述的第一反射镜102、能量衰减器103、第二反射镜104、光束分束器105、聚焦凸透镜106、三维调节的样品平台107，在光束分束器105对激光光束进行能量取样后，进入能量探测器108。另外，CCD探测器109探测样品平台上激光作用区域光学元件的表面损伤状态。所述的计算机110输出端与所述的三维调节的样品平台107的控制端相连，控制三维调节的样品平台107相对于激光器入射光斑的三维移动。所述的计算机110的输入端与CCD探测器109及能量探测器108的输出端相连接，具有采集待测样品平台上光学元件表面光场分布及入射激光束的能量，所述的计算机110具有CCD探测器109及能量探测器108采集的软件以及控制样品三维调节的样品平台107的驱动软件。
通常情况下，光学元件直接固定在所述的三维平台上，实现光学元件损伤阈值的测试。此时，样品直接暴露在实验室环境下，获得的是室温条件下元件的抗激光损伤阈值。但事实上，光学元件的使用环境差别较大，在大量的场合下，光学元件位于特定的温度环境中，如航空器所处的空间环境中，为了抑制碳氢污染物在激光***的光学元件表面沉积，需要对光学元件进行加热处理。常规的损伤阈值测试***不能根据样品的实际使用环境的温度进行特定温度条件下光学元件表面抗激光损伤阈值的测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学元件高温环境下抗激光损伤阈值的测试装置和测试方法，该装置可实现激光测试过程中高温箱体内部光学元件表面激光光斑的准确测试，可以准确评估特定高温环境下光学元件表面的损伤阈值。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学元件高温环境下抗激光损伤阈值的测试装置，包括激光光源，沿激光光源的输出光路方向依次是第一反射镜、能量衰减器、第二反射镜、光束分束器、聚焦凸透镜、三维移动平台，在所述的光束分束器反射光方向是能量探测器，CCD探测器的输出端和计算机的第一输入端相连，所述的计算机的第一输出端与所述的三维移动平台的控制端相连，其特点在于，所述的三维移动平台上设有支撑底板，在该支撑底板上设有高温箱和箱体外光学元件样品调节架及其滑动导向槽，箱体外光学元件样品调节架在高温箱支撑底板的滑动导向槽内部前后移动；
所述的高温箱包括加热板、箱体保温材料、外壳、被测试样品夹持固定筒的***口、箱体内待测试光学元件支撑架、加热板电极、温度控制器和温度控制器的温度探头固定电极，所述的加热板均布在高温箱的上下左右四个内表面上，加热板外为箱体保温材料，最外层为外壳，加热板电极位于高温箱外壳上并与高温箱上下左右四个内表面上的加热板相连接，所述的温度控制器与所述的加热板电极之间通过连接导线连接，所述的温度控制器与所述的温度探头固定电极之间通过连接导线连接，待测试样品夹持固定筒包括：右端带有外螺纹的第一环状金属筒、左端带有内螺纹的第二环状金属筒，所述的第一环状金属筒上加工有放置温度探测器的安装孔；所述的待测试光学元件夹持固定筒采用第一环状金属筒和第二环状金属筒带螺纹一端设有台阶，通过内外螺纹连接方式将待测光学元件固定在所述的第一环状金属筒和第二环状金属筒之间，在使用时，待测试光学元件夹持固定筒沿高温箱上待测试光学元件夹持固定筒的***口***高温箱内，第二环状金属筒在内，所述的温度传感器输出端与温度探头固定电极相连接，所述的温度控制器的输入端与所述的温度探测器的输出端相连，所述的温度控制器的第二输出端与所述的加热板的电极相连，所述的计算机的第二输出端与所述的温度探测器的输入端相连。
利用上述测试装置对光学元件损伤的测试方法，该方法包括下列步骤：
1)利用第一环状金属筒和第二环状金属筒一端的内外螺纹，将待测试光学元件固定在两个环状金属筒台阶构成的空间内，将夹持有待测试光学元件的夹持固定 筒沿高温箱上的***口***高温箱内并放置在箱体内待测试光学元件支撑架上；第二环状金属筒在内，保持与高温箱后表面接触，第一环状金属筒在外，第一环状金属筒上的深孔暴露在高温箱体外；将温度传感器***到环状金属筒上的深孔内，温度传感器的输出端连接到温度探头的固定电极上；
2)将光斑测试光学元件固定在箱体外光斑测试样品架上，根据待测试光学元件及光斑测试光学元件的厚度，调节箱体外光斑测试样品架在高温箱支撑底板的滑动导向槽内的前后位置，保持待测试光学元件的表面位置与光斑测试光学元件的表面位置处于同一平面内；
3)利用计算机控制所述的三维移动平台，调整高温箱的水平位置，将激光光束的中心定位在光斑测试光学元件的中心，使用常规光斑测试方法测量光斑测试光学元件表面的光斑尺寸；
4)利用计算机控制所述的三维移动平台，调整高温箱的水平位置，将激光光斑中心定位在待测光学元件的表面，调整所述的CCD探测器对准所述的待测光学元件的表面；
5)利用计算机控制所述的温度控制器，设置加热温度，利用加热板对待测试光学元件的局域环境进行温度控制；
6)当温度达到设定温度并保持平衡后，利用计算机的软件界面设置待测光学元件的移动步长、每行测试点数m及行数n，通常情况下m和n取值在10-20之间；
7)采用1-on-1的测试方法：所述的计算机驱动控制所述的激光光源对待测光学元件表面测试点辐照一个光脉冲，所述的CCD探测器记录光场分布和所述的能量计记录激光输出能量大小，输入所述的计算机采集并存储；所述的计算机驱动三维移动平台及三维移动平台上的高温箱，控制高温箱内部待测光学元件沿水平方向移动一个步长，保持辐照的能量相等地进行辐照测量，直至第i＝1行中m个测试点辐照完；
8)辐照完一行测试点后，计算机统计每行测试点产生损伤的点数，计算每行测试点损伤几率，即损伤几率＝损伤点数/受辐照点数m；当待测光学元件表面该行m个点均未发现有损伤时，则转入步骤10)，否则进入步骤9)；
9)利用能量衰减器调节辐照在待测试光学元件表面的激光能量，计算机控制样品沿着竖直方向移动一个步长，并返回步骤7)；
10)根据计算机采集到的每一个辐照点的激光能量，除以步骤3)测量得到的光 斑面积，得到每一个辐照点的激光能量密度；
11)计算机以激光能量密度为横轴，损伤几率为纵轴，生成损伤几率与激光能量密度对应的分布图，通过拟合出零损伤几率，计算得到待测试光学元件的抗激光损伤阈值。
本发明的技术效果：
本发明在光学元件抗激光损伤阈值测试***中引入特殊设计的高温箱对光学元件样品周围的环境温度进行控制，利用与高温箱内部被测光学元件表面位于同一平面内的另一光学元件，实现了激光测试过程中高温箱体内部光学元件表面激光光斑的准确测试，可以准确评估高温环境下使用的光学元件表面抗激光损伤阈值。
附图说明
图1是本发明光学元件高温环境下抗激光损伤阈值的测试装置框图
图2是本发明采用的高温箱总装图
图3是本发明采用高温箱从中心对称位置剖开后剖视图
图4是本发明采用的待测光学元件夹持固定筒示意图
具体实施方式
下面结合实施和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
首先参阅图1、图2和图3，图1是本发明光学元件高温环境下抗激光损伤阈值的测试装置框图，图2是本发明采用高温箱装置总装图，图3是本发明采用高温箱从中心位置剖开后剖视图，由图可见，本发明光学元件高温环境下抗激光损伤阈值的测试装置，包括激光光源101，沿激光光源101的输出光路方向依次是第一反射镜102、能量衰减器103、第二反射镜104、光束分束器105、聚焦凸透镜106、三维移动平台107，在所述的光束分束器105反射光方向是能量探测器108，该能量探测器108和CCD探测器109的输出端和计算机110的第一输入端相连，所述的计算机110的第一输出端与所述的三维移动平台107的控制端相连，其特点在于，所述的三维移动平台107上设有支撑底板209，在该支撑底板209上设有高温箱和箱体外光学元件样品调节架207及其滑动导向槽212，箱体外光学元件样品调节架207在高温箱支撑底板209的滑动导向槽212内部前后移动，调节高温箱体外用于光斑 测试的光学元件样品调节架207上的光学元件的前表面位置与测试光学元件支撑架206上测试光学元件的前表面位置处于同一平面内；
所述的高温箱包括加热板201、箱体保温材料202、外壳203、被测试样品夹持固定筒的***口219、箱体内待测试光学元件支撑架206、加热板电极220、温度控制器214和温度控制器的温度探头固定电极221，所述的加热板201均布在高温箱的上下左右四个内表面上，加热板外为箱体保温材料202，最外层为外壳203，加热板电极220位于高温箱外壳203上并与高温箱上下左右四个内表面上的加热板201相连接，所述的温度控制器214与所述的加热板电极220之间通过连接导线216连接，所述的温度控制器214与所述的温度探头固定电极221之间通过连接导线215连接，待测试样品夹持固定筒包括：右端带有外螺纹的第一环状金属筒217、左端带有内螺纹的第二环状金属筒218，所述的第一环状金属筒217上加工有放置温度探测器的安装孔213；所述的待测试光学元件夹持固定筒采用第一环状金属筒217和第二环状金属筒218带螺纹一端设有台阶，通过内外螺纹连接方式将待测光学元件固定在所述的第一环状金属筒217和第二环状金属筒218之间，所述的温度传感器输出端与温度探头固定电极221相连接，所述的温度控制器214的输入端与所述的温度探测器221的输出端相连，所述的温度控制器214的第二输出端与所述的加热板215的电极220相连，所述的计算机110的第二输出端与所述的温度探测器221的输入端相连。
利用上述测试装置对光学元件损伤的测试方法，该方法包括下列步骤：
1)利用第一环状金属筒217和第二环状金属筒218一端的内外螺纹，将待测试光学元件固定在两个环状金属筒台阶构成的空间内，将夹持有待测试光学元件的夹持固定筒沿高温箱上的***口219***高温箱内并放置在箱体内待测试光学元件支撑架206上；第二环状金属筒218在内，保持与高温箱后表面接触，第一环状金属筒217在外，第一环状金属筒217上的深孔213暴露在高温箱体外；将温度传感器***到环状金属筒217上的深孔213内，温度传感器的输出端连接到温度探头的固定电极221上；
2)将光斑测试光学元件固定在箱体外光斑测试样品架207上，根据待测试光学元件及光斑测试光学元件的厚度，调节箱体外光斑测试样品架207在高温箱支撑底板209的滑动导向槽212内的前后位置，保持待测试光学元件的表面位置与光斑测试光学元件的表面位置处于同一平面内；
3)利用计算机110控制所述的三维移动平台107，调整高温箱的水平位置，将激光光束的中心定位在光斑测试光学元件的中心，使用常规光斑测试方法测量光斑测试光学元件表面的光斑尺寸；
4)利用计算机110控制所述的三维移动平台107，调整高温箱的水平位置，将激光光斑中心定位在待测光学元件的表面，调整所述的CCD探测器109对准所述的待测光学元件的表面；
5)利用计算机110控制所述的温度控制器214，设置加热温度，利用加热板201对待测试光学元件的局域环境进行温度控制；
6)当温度达到设定温度并保持平衡后，利用计算机110的软件界面设置待测光学元件的移动步长、每行测试点数m及行数n，通常情况下m和n取值在10-20之间；
7)采用1-on-1的测试方法：所述的计算机110驱动控制所述的激光光源101对待测光学元件表面测试点辐照一个光脉冲，所述的CCD探测器109记录光场分布和所述的能量计108记录激光输出能量大小，输入所述的计算机101采集并存储；所述的计算机110驱动三维移动平台107及三维移动平台107上的高温箱，控制高温箱内部待测光学元件沿水平方向移动一个步长，保持辐照的能量相等地进行辐照测量，直至第i＝1行中m个测试点辐照完；
8)辐照完一行测试点后，计算机110统计每行测试点产生损伤的点数，计算每行测试点损伤几率，即损伤几率＝损伤点数/受辐照点数m；当待测光学元件表面该行m个点均未发现有损伤时，则转入步骤10)，否则进入步骤9)；
9)利用能量衰减器103调节辐照在待测试光学元件表面的激光能量，计算机110控制样品沿着竖直方向移动一个步长，并返回步骤7)；
10)根据计算机110采集到的每一个辐照点的激光能量，除以步骤3)测量得到的光斑面积，得到每一个辐照点的激光能量密度；
11)计算机110以激光能量密度为横轴，损伤几率为纵轴，生成损伤几率与激光能量密度对应的分布图，通过拟合出零损伤几率，计算得到待测试光学元件的抗激光损伤阈值。
实验表明，本发明可实现激光测试过程中高温箱体内部光学元件表面激光光斑的准确测试，可以准确评估特定高温环境下光学元件表面的损伤阈值。
Claims (2)
1.一种光学元件高温环境下抗激光损伤阈值的测试装置，包括激光光源(101)，沿激光光源(101)的输出光路方向依次是第一反射镜(102)、能量衰减器(103)、第二反射镜(104)、光束分束器(105)、聚焦凸透镜(106)、三维移动平台(107)，在所述的光束分束器(105)反射光方向是能量探测器(108)，该能量探测器(108)和CCD探测器(109)的输出端和计算机(110)的第一输入端相连，所述的计算机(110)的第一输出端与所述的三维移动平台(107)的控制端相连，其特征在于，所述的三维移动平台(107)上设有支撑底板(209)，在该支撑底板(209)上设有高温箱和箱体外光学元件样品调节架(207)及其滑动导向槽(212)，箱体外光学元件样品调节架(207)在高温箱支撑底板(209)的滑动导向槽(212)内部前后移动，调节高温箱体外用于光斑测试的光学元件样品调节架(207)上的光学元件的前表面位置与测试光学元件支撑架(206)上测试光学元件的前表面位置处于同一平面内；
所述的高温箱包括加热板(201)、箱体保温材料(202)、外壳(203)、被测试样品夹持固定筒的***口(219)、箱体内待测试光学元件支撑架(206)、加热板电极(220)、温度控制器(214)和温度控制器的温度探头固定电极(221)，所述的加热板(201)均布在高温箱的上下左右四个内表面上，加热板外为箱体保温材料(202)，最外层为外壳(203)，加热板电极(220)位于高温箱外壳(203)上并与高温箱上下左右四个内表面上的加热板(201)相连接，所述的温度控制器(214)与所述的加热板电极(220)之间通过连接导线(216)连接，所述的温度控制器(214)与所述的温度探头固定电极(221)之间通过连接导线(215)连接，待测试样品夹持固定筒包括：右端带有外螺纹的第一环状金属筒(217)、左端带有内螺纹的第二环状金属筒(218)，所述的第一环状金属筒(217)上加工有放置温度探测器的安装孔(213)；所述的待测试光学元件夹持固定筒采用第一环状金属筒(217)和第二环状金属筒(218)带螺纹一端设有台阶，通过内外螺纹连接方式将待测光学元件固定在所述的第一环状金属筒(217)和第二环状金属筒(218)之间，在使用时，待测试光学元件夹持固定筒沿高温箱上待测试光学元件夹持固定筒的***口(219)***高温箱内，第二环状金属筒(218)在内，所述的温度传感器输出端与温度探头固定电极(221)相连接，所述的温度控制器(214)的输入端与所述的温度探测器(221)的输出端相连，所述的温度控制器(214)的第二输出端与所述的加热板(215)的电极(220)相连，所述的计算机(110)的第二输出端与所述的温度探测器(221)的输入端相连。
2.利用权利要求1所述的测试装置对光学元件损伤的测试方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)利用第一环状金属筒(217)和第二环状金属筒(218)一端的内外螺纹，将待测试光学元件固定在两个环状金属筒台阶构成的空间内，将夹持有待测试光学元件的夹持固定筒沿高温箱上的***口(219)***高温箱内并放置在箱体内待测试光学元件支撑架(206)上；第二环状金属筒(218)在内，保持与高温箱后表面接触，第一环状金属筒(217)在外，第一环状金属筒(217)上的深孔(213)暴露在高温箱体外；将温度传感器***到环状金属筒(217)上的深孔(213)内，温度传感器的输出端连接到温度探头的固定电极(221)上；
2)将光斑测试光学元件固定在箱体外光斑测试样品架(207)上，根据待测试光学元件及光斑测试光学元件的厚度，调节箱体外光斑测试样品架(207)在高温箱支撑底板(209)的滑动导向槽(212)内的前后位置，始终保持待测试光学元件的表面位置与光斑测试光学元件的表面位置处于同一平面内；
3)利用计算机(110)控制所述的三维移动平台(107)，调整高温箱的水平位置，将激光光束的中心定位在光斑测试光学元件的中心，使用常规光斑测试方法测量光斑测试光学元件表面的光斑尺寸；
4)利用计算机(110)控制所述的三维移动平台(107)，调整高温箱的水平位置，将激光光斑中心定位在待测光学元件的表面，调整所述的CCD探测器(109)对准所述的待测光学元件的表面；
5)利用计算机(110)控制所述的温度控制器(214)，设置加热温度，利用加热板(201)对待测试光学元件的局域环境进行温度控制；
6)当温度达到设定温度并保持平衡后，利用计算机(110)的软件界面设置待测光学元件的移动步长、每行测试点数m及行数n，通常情况下m和n取值在10-20之间；
7)采用1-on-1的测试方法：所述的计算机(110)驱动控制所述的激光光源(101)对待测光学元件表面测试点辐照一个光脉冲，所述的CCD探测器(109)记录光场分布和所述的能量计(108)记录激光输出能量大小，输入所述的计算机(101)采集并存储；所述的计算机(110)驱动三维移动平台(107)及三维移动平台(107)上的高温箱，控制高温箱内部待测光学元件沿水平方向移动一个步长，保持辐照的能量相等地进行辐照测量，直至第i＝1行中m个测试点辐照完；
8)辐照完一行测试点后，计算机(110)统计每行测试点产生损伤的点数，计算每行测试点损伤几率，即损伤几率＝损伤点数/受辐照点数m；当待测光学元件表面该行m个点均未发现有损伤时，则转入步骤10)，否则进入步骤9)；
9)利用能量衰减器(103)调节辐照在待测试光学元件表面的激光能量，计算机(110)控制样品沿着竖直方向移动一个步长，并返回步骤7)；
10)根据计算机(110)采集到的每一个辐照点的激光能量，除以步骤3)测量得到的光斑面积，得到每一个辐照点的激光能量密度；
11)计算机(110)以激光能量密度为横轴，损伤几率为纵轴，生成损伤几率与激光能量密度对应的分布图，通过拟合出零损伤几率，计算得到待测试光学元件的抗激光损伤阈值。
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