CN110411718A - 高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，采用热透镜测量技术监测高反射光学元件在激光辐照过程中吸收损耗的实时变化，采用光腔衰荡技术同时监测高反射光学元件在激光辐照过程中反射率的实时变化。本发明可同时测量高反射光学元件的反射率和吸收，可监测高反射光学元件在激光辐照过程中反射率和吸收的动态变化过程，有助于评估光学元件的性能稳定性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种对光学元件参数的测量方法，特别是高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步与激光***的快速发展，特别是近年来高功率激光***的快速发展，对激光反射光学元件(普通反射镜、变形反射镜、倾斜镜等)提出了更为苛刻的要求。反射光学元件的反射率和吸收直接影响激光***的性能指标，因此在高功率***中反射光学元件反射率一般都大于99.9％，吸收小于100ppm。目前一般高反射光学元件出厂前，需对其反射率和吸收特性进行测量。吸收测量一般使用国际标准激光量热法(ISO11551:2003(E)–Test method for absorptance of optical laser components)测量其陪镀试验片的吸收损耗，其优点是吸收绝对值测量，测量灵敏度高，缺点是样品尺寸固定，时间分辨率低，不能实现在线测量；高反射率一般使用光腔衰荡技术测量。然而这些性能合格的高反射光学元件，在强激光辐照下，其材料内部可能产生色心和其他的物理或化学过程，导致其光学性能反射率和吸收将缓慢下降，直至灾难性损伤出现，光学元件使用寿命终结。因此测量和实时监测高反射光学元件在高功率激光辐照下反射率和吸收的实时变化和长时间稳定性对发展高光学性能、长使用寿命的光学元件，降低激光***使用成本和维护成本具有重要意义。
以前各种测量方法对光学元件的反射率和吸收的测量都是在相对较弱的激光测试环境，所测的测量结果不能反映光学元件在实际高功率激光辐照运行环境中的情况。而且以前一般采用不同装置分别测量其反射率和吸收，不能保证其测试的是同一个位置，元件处于同一个状态，而且装置复杂，操作麻烦，无法实现同时在线测量。为了能更好的评估高反射光学元件在高功率激光辐照环境中在线工作性能，明晰高反射光学元件性能变化规律和使用寿命，进一步改善薄膜镀制工艺，保证激光***长时间稳定运行，发展一种同时监测高反射光学元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时变化的方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的技术解决问题：克服现有反射率和吸收测量技术的不足，提供一种同时监测激光辐照下高反射光学元件反射率和吸收变化的测量方法，为光学元件激光辐照下光学性能稳定性和使用寿命评估提供技术手段。该方法可以实时监测高反射光学元件在高功率激光辐照下反射率的实时变化情况，并具有结构简单、灵敏度高、实用性强等优点。
本发明采用的技术方案是采用光腔衰荡技术和表面热透镜技术分别测量光学元件的反射率和吸收，在辐照激光的辐照时间内，同时监测其测试腔的衰荡时间和表面热透镜信号，通过计算得到待测光学元件反射率和吸收的实时变化情况。
具体实施步骤如下：
(1)辐照激光光源1输出一束连续辐照激光光束经过聚焦透镜2聚焦照射到待测高反射光学元件3表面，反射率探测激光器4输出一束反射率探测激光光束耦合进入到稳定的光学谐振腔，在激光辐照前采用光腔衰荡技术，使用第一光电探测器8测量由一个平面镜5和第一腔镜6、第二腔镜7组成的初始光学谐振腔(腔长为L0)的输出衰荡信号，拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0；加入待测高反射光学元件3后，形成由待测高反射光学元件3、平面镜5和第一腔镜6、第二腔镜7组成的稳定测试光学谐振腔(腔长为L1)，使用第一光电探测器8测量其输出衰荡信号，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间τ1，经计算可以得到高反射光学元件的反射率R＝(L0/cτ0-L1/cτ1)，c为光速；记录连续辐照激光照射过程中测试光腔衰荡时间随时间的实时变化曲线τ(t)，由此得到待测高反射光学元件3的反射率实时变化曲线R(t)＝(L0/cτ0-L1/cτ(t))。
(2)同时吸收率探测激光器9输出功率在毫瓦或亚毫瓦量级的连续激光束，即吸收探测激光光束经过反射镜10，入射到待测高反射光学元件3被辐照激光光束照射的相同表面区域，用一小孔光阑11和第二光电探测器12组合测量从待测高反射光学元件3表面反射的探测激光光束的最大中心光强变化ΔI以及辐照激光照射前探测激光光束的中心光强直流值I0，得到辐照激光照射过程中吸收探测激光光束中心光强的最大相对变化ΔS＝ΔI/I0，即表面热透镜信号，并用已知吸收损耗绝对值α0的样品，在低功率激光辐照下，对表面热透镜信号ΔS0进行定标，得到表面热透镜信号对应的吸收损耗值的标定系数C＝ΔS0/α0；记录辐照激光照射过程中表面热透镜信号随时间的实时变化曲线ΔS(t)＝ΔI(t)/I0，ΔI(t)为吸收探测激光光束的最大中心光强实时变化量，由此得到待测高反射光学元件3的吸收实时变化曲线α(t)＝C×dΔS(t)/dt；两路同时测量，将由第一光电探测器8实时测量的衰荡信号和第二光电探测器12实时测量的表面热透镜信号，传输给计算机15，经过实时处理软件得到反射率和吸收实时变化曲线。
其中，所述组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的第一腔镜6、第二腔镜7为平凹高反射镜，平凹高反射镜的反射率均大于99％。
其中，所述的连续辐照激光光束和吸收/反射率探测激光光束的中心位置在被测高反射光学元件表面重合，并且在被测高反射光学元件表面位置吸收探测激光光束的光斑尺寸是辐照激光光束的2倍以上，反射率探测激光光束的光斑尺寸尽量与辐照激光光束相等。
其中，所述的小孔光阑和第二光电探测器组合中的小孔光阑位于待测高反射光学元件之后，第二光电探测器探测面之前，且小孔光阑的口径小于辐照激光光束在被测高反射光学元件表面位置的光斑尺寸。
其中，所述的反射率探测激光器可以为连续激光或脉冲激光。
其中，所述的吸收率探测激光其光束质量越好，波长越短，吸收测量精度越高。
其中，所述的辐照光束在被测样品处的功率密度可以通过改变激光输出功率或通过移动透镜位置改变光斑尺寸。
其中，当待测高反射光学元件反射率小于99％或激光辐照下反射率变化大于0.5％时，可以挪开第二腔镜7，采用光度法实时测量反射率变化。
其中，待测高反射光学元件可放置在二维位移平台上，实现二维均匀性扫描测量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明可同时测量高反射光学元件的吸收损耗和反射率，用于各种激光***中高性能激光元件的性能检测、评估优化和质量控制，结构简单，测量精度高，而且一机多用，节约了成本。
(2)本发明可监测光学元件激光辐照过程中光学元件吸收损耗和反射率的动态变化过程，有助于研究其相关机理，提供高反元件激光辐照中性能稳定性测试平台，有助于高反光学元件制备工艺的优化与改进。
(3)本发明可用于不同环境下(真空、变温、电子辐照、空间污染等)高反射光学元件反射率和吸收实时测量，有助于推动极高性能激光元件的发展。
附图说明
图1为本发明的激光辐照下高反光学元件反射率和吸收变化测量装置示意图；
图2为本发明的待测光学元件在高功率激光辐照下反射率和吸收实时变化的示意图；
图中：1为辐照激光光源，2为聚焦透镜，3为待测高反射光学元件，4为反射率探测激光器，5为平面镜，6为第一腔镜，7为第二腔镜，8为第一光电探测器，9为吸收率探测激光器，10为反射镜，11为小孔光阑，12为第二光电探测器，13为第一光吸收体，14为第一光吸收体，15为计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的测试装置由辐照激光光源1、聚焦透镜2、待测高反射光学元件3、反射率探测激光器4、平面镜5、第一腔镜6、第二腔镜7、第一光电探测器8、第二光电探测器12、吸收率探测激光器9、反射镜10，小孔光阑11，第一光吸收体13、第二光吸收体14，计算机15组成。辐照激光光源1的输出光束经聚焦透镜2聚焦到待测高反光学元件3表面，透过待测高反射光学元件3的激光由第一光吸收体13吸收。反射率探测激光器4输出一束反射率探测激光光束耦合进入到稳定的光学谐振腔，在激光辐照前采用光腔衰荡技术，使用第一光电探测器8测量由平面镜5和第一腔镜6、第二腔镜7组成的初始光学谐振腔(腔长为L0)的输出衰荡信号，拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0；加入待测高反射光学元件3后，形成由待测高反射光学元件3、平面镜5和第一腔镜6、第二腔镜7组成的稳定测试光学谐振腔(腔长为L1)，使用第一光电探测器8测量其输出衰荡信号，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间τ1，经计算可以得到高反射光学元件的反射率R＝(L0/cτ0-L1/cτ1)，c为光速；记录辐照激光照射过程中测试光腔衰荡时间随时间的实时变化曲线τ(t)，由此得到待测高反射光学元件3的反射率实时变化曲线R(t)＝(L0/cτ0-L1/cτ(t))。
同时吸收率探测激光器9输出功率在毫瓦或亚毫瓦量级的连续激光束，即吸收率探测激光光束经过反射镜10，入射到待测高反射光学元件3被辐照激光光束照射的相同表面区域，用一小孔光阑11和第二光电探测器12组合测量从待测高反射光学元件3表面反射的探测激光光束的最大中心光强变化ΔI以及辐照激光照射前探测激光光束的中心光强直流值I0，得到辐照激光照射过程中吸收探测激光光束中心光强的最大相对变化ΔS＝ΔI/I0，即表面热透镜信号，并用已知吸收损耗绝对值α0的样品，在低功率激光辐照下，对表面热透镜信号ΔS0进行定标，得到表面热透镜信号对应的吸收损耗值的标定系数C＝ΔS0/α0；记录辐照激光照射过程中表面热透镜信号随时间的实时变化曲线ΔS(t)＝ΔI(t)/I0，ΔI(t)为吸收探测激光光束的最大中心光强实时变化量，由此得到待测高反射光学元件3的吸收实时变化曲线α(t)＝C×dΔS(t)/dt；两路同时测量，将由第一光电探测器8实时测量的衰荡信号和第二光电探测器12实时测量的表面热透镜信号，传输给计算机15，经过实时处理软件得到反射率和吸收实时变化曲线。
Claims (9)
1.高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤(1)辐照激光光源(1)输出一束连续辐照激光光束经过聚焦透镜(2)聚焦照射到待测高反射光学元件(3)表面，反射率探测激光器(4)输出一束反射率探测激光光束耦合进入到稳定的光学谐振腔，在激光辐照前采用光腔衰荡技术，使用第一光电探测器(8)测量由一个平面镜(5)和第一腔镜(6)、第二腔镜(7)组成的腔长为L0的初始光学谐振腔的输出衰荡信号，拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0；加入待测高反射光学元件(3)后，形成由待测高反射光学元件(3)、平面镜(5)和第一腔镜(6)、第二腔镜(7)组成的腔长为L1的稳定测试光学谐振腔，使用第一光电探测器(8)测量其输出衰荡信号，拟合得到测试光学谐振腔的衰荡时间τ1，经计算可以得到高反射光学元件的反射率R＝(L0/cτ0-L1/cτ1)，c为光速；记录连续辐照激光照射过程中测试光腔衰荡时间随时间的实时变化曲线τ(t)，由此得到待测高反射光学元件(3)的反射率实时变化曲线R(t)＝(L0/cτ0-L1/cτ(t))；
步骤(2)同时吸收率探测激光器(9)输出功率在毫瓦或亚毫瓦量级的连续激光束，即吸收探测激光光束经过反射镜(10)，入射到待测高反射光学元件(3)被辐照激光光束照射的相同表面区域，用一小孔光阑(11)和第二光电探测器(12)组合测量从待测高反射光学元件(3)表面反射的探测激光光束的最大中心光强变化ΔI以及辐照激光照射前探测激光光束的中心光强直流值I0，得到辐照激光照射过程中吸收探测激光光束中心光强的最大相对变化ΔS＝ΔI/I0，即表面热透镜信号，并用已知吸收损耗绝对值α0的样品，在低功率激光辐照下，对表面热透镜信号ΔS0进行定标，得到表面热透镜信号对应的吸收损耗值的标定系数C＝ΔS0/α0；记录辐照激光照射过程中表面热透镜信号随时间的实时变化曲线ΔS(t)＝ΔI(t)/I0，ΔI(t)为吸收探测激光光束的最大中心光强实时变化量，由此得到待测高反射光学元件(3)的吸收实时变化曲线α(t)＝C×dΔS(t)/dt；两路同时测量，将由第一光电探测器(8)实时测量的衰荡信号和第二光电探测器(12)实时测量的表面热透镜信号，传输给计算机(15)，经过实时处理软件得到反射率和吸收实时变化曲线。
2.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：所述组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的第一腔镜(6)、第二腔镜(7)为两块平凹高反射镜，平凹高反射镜的反射率均大于99％。
3.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：连续辐照激光光束和吸收/反射率探测激光光束的中心位置在被测光学元件表面重合，并且在被测光学元件表面位置吸收探测激光光束的光斑尺寸是辐照激光光束的2倍以上，反射探测激光光束的光斑尺寸尽量与辐照激光光束相等。
4.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：小孔光阑和第二光电探测器组合中的小孔光阑位于待测高反射光学元件之后，第二光电探测器探测面之前，且小孔光阑的口径小于辐照激光光束在被测高反射光学元件表面位置的光斑尺寸。
5.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：所述的反射率探测激光器可以为连续激光或脉冲激光。
6.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：所述的吸收率探测激光其光束质量越好，波长越短，吸收测量精度越高。
7.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：所述的辐照光束在被测样品处的功率密度可以通过改变激光输出功率或通过移动透镜位置改变光斑尺寸。
8.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：当待测高反射光学元件反射率小于99％或激光辐照下反射率变化大于0.5％时，可以挪开第二腔镜(7)，采用光度法实时测量反射率变化。
9.根据权利要求1所述的高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法，其特征在于：待测高反射光学元件可放置在二维位移平台上，实现二维均匀性扫描测量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191105 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |