真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置和测量方法制造方法及图纸

一种真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置和测量方法。采用等效光路法实现在真空环境中对光斑面积的准确测量和对测量过程中的光斑质量进行实时监测，确保对光学元件损伤阈值的准确测量。该装置可以在一次真空环境中实现对4片透、反射元件和衍射元件样品采用1‑on‑1、S‑on‑1、R‑on‑1和光栅扫描的方式进行损伤阈值测量，并能够对测试环境中的残余气体进行分析。且该设备能对测量过程进行自动控制并实现数据的自主采集，极大地提高了真空环境下光学元件的损伤测试效率。

【技术实现步骤摘要】
真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置和测量方法
本专利技术涉及光学元件损伤阈值的测量，特别是真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置及测量方法。
技术介绍
光学元件作为光学系统中的基本元件，在高功率激光系统、激光武器以及激光加工等领域有着广泛的应用。随着人们对激光器输出能量的不断提高，光学元件的激光损伤阈值已经成为超强高能激光进一步发展的瓶颈。为了深入研究光学元件的损伤性能和产生机制，准确评价光学元件的抗激光损伤能力，对光学元件的抗激光损伤阈值测量技术进行发展和完善，从而指导光学元件制备工艺的优化和改进。伴随着激光系统在空间领域和真空环境中的广泛应用，需要光学元件能够在真空环境下进行使用。大量的研究表明，真空环境下的材料放气过程、激光辐照材料的分解过程和游离粒子的附着过程等使得光学元件在真空下的损伤阈值与在大气环境中的损伤阈值相比具有其自身的特殊性，通常在真空中的损伤阈值会有所降低。但是光学元件在真空环境中的抗激光损伤能力直接关系到激光系统能否在真空环境和空间环境中运行的成功，所以需要对光学元件在真空环境下的抗激光损伤特性及产生机理研究具有重大意义。研究真空环境下光学元件的抗激光损伤特性需要的实验装置比在大气环境下复杂得多，需要建立一个真空环境，并且对真空度进行实时监测，对测量前和测量后真空环境中的环境进行监测，对样品是否损伤进行判断。另外一个重要的问题是，如何实现在真空环境中光斑面积测量，因为这个参数的准确性关系到光学元件损伤阈值测量结果的准确性。目前比较常见的真空环境下光学元件的测试装置都是样品及其运动系统置于真空环境中，测量光束聚焦辐照在样品上对其进行损伤阈值测量。这样的测量方式都是在大气环境中对测量光束的光斑面积测量后进行损伤阈值测量，这种测量装置及方法存在以下两个问题：1)光束在真空环境中的传输与大气环境中的传输存在差异，即真空中环境和大气环境中测量的光斑面积存在差异；2)在测量过程中并没有对真空环境下的光斑质量进行监控，必然会导致光学元件损伤阈值的测量可信度降低。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述技术的不足，提供了一种真空环境下光学元件的损伤阈值的测量装置和测量方法。为了达到以上目的，本专利技术所采用的解决方案是：一种真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置，其特点在于：一直线形的测量主光束传输管道的左端面设有聚焦透镜，该通道中设有分光镜，该管道的右端与一测量室腔体相连通，一折角形等效光路传输管道的折角处内设有楔形片，该等效光路传输管道的短管头与所述的直线形的测量主光束传输管道的相连通，所述的测量主光束传输管道、等效光路传输管道和所述的测量室腔体联通后构成一个完整的真空环境；在所述的测量主光束传输通道的下方设有分子泵接口和离子泵接口，分别连接分子泵和离子泵；在所述的楔形片的后方放置能量计，在所述的等效光路传输管道的长管头的末端设有光束质量分析仪；在所述的测量室腔体内设置三维移动台，待测样品安装在待测样品夹具上并固定在所述的三维移动台上；所述的测量室腔体一侧的中上部设有低真空规、高真空规、残余气体分析仪、三维移动台控制线缆接口和备用接口，另一侧设有观察窗和监测窗口，在所述的监测窗口安装CCD系统；在所述的测量室腔体内壁上设有多块能量吸收材料；还有测量激光器和He-Ne激光器，沿所述的测量激光器的激光输出方向依次是第一1/2波片、偏振片、第二1/2波片、电子快门、两块测量光束反射镜、聚焦透镜、分光镜、待测样品夹具和能量吸收材料，沿所述的He-Ne激光器的输出激光的方向依次是两块He-Ne光反射镜、聚焦透镜照射在所述的待测样品上；所述的测量激光器发出的光束经过所述的分光镜分为反射光束和透射光束：所述的透射光束依次经所述的测量主光束传输通道、待测样品和多块能量吸收材料上，所述的反射光束经所述的等效光路传输管道的楔形片照射在所述的光束质量分析仪上，从所述的楔形片透过的光被所述的能量计探测；所述的测量激光器、第一1/2波片、电子快门、能量计、残余气体分析仪、光束质量分析仪、三维移动台和CCD系统与所述的电脑相连；所述的低真空规、高真空规以及所有的真空泵与工控机相连。所述的分光镜到待测样品表面的距离L等于所述的分光镜到所述的楔形片的距离L1加上所述的楔形片到所述的光束质量分析仪的距离L2，即L＝L1+L2。所述的三维移动台具有使所述的待测样品夹具沿水平方向、竖直方向移动以及绕纵轴转动的机构，所述的待测样品夹具适合所述的待测样品的安装。所述的分子泵接口用于连接分子泵，离子泵接口用于连接离子泵，无油机械泵与分子泵相连，通过分子泵接口对真空腔体进行初级抽气。所述的第一1/2波片、偏振片和第二1/2波片组合以满足样品不同偏振态激光测量的需求和辐照在样品表面的能量，所述的电子快门以满足不同脉冲数目的测量需求。利用上述真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置进行光学元件的损伤阈值的测量方法，该方法包括步骤如下：A)根据待测样品要求的测试角度，将所述的三维移动台固定好，在大气环境下，打开所述的He-Ne激光器发出He-Ne光束，调节所述的He-Ne光反射镜，使所述的He-Ne光束穿过所述的聚焦透镜的中心、分光镜的中心并打在能量吸收材料的中心处；打开所述的测量激光器发出测量主光束，调节两块测量光束反射镜，使所述的测量主光束与所述的He-Ne光重合；B)将所述的待测样品装载在所述的三维运动平台上的待测样品夹具上；C)移动所述的三维运动平台，使测试光点位于所述的待测样品的边缘区域，升高测量光束能量使待测样品产生损伤，调节所述的CCD系统使它能够观察到损伤点；D)将所述的测量主光束的能量调节到最低，调节所述的分光镜和楔形片的调整架，使等效光的光斑垂直入射到所述的光束质量分析仪中，使光斑面积能够被测量，透过所述的楔形片的光束能量被所述的能量计探测到，分别测量获得测量主光束能量和透过楔形片的光束能量，获得测量系统的分光比；E)设置样品测量程序，如快门频率、能量计参数、光束质量分析仪参数、CCD系统参数以及运行路径，预运行整个测量系统，注意样品运行路径、能量计记录数据、光束质量分析仪数据以及CCD系统成像是否符合预设要求；F)预运行没有问题后，关闭好所述的测量室腔体的舱门，依次开启机械泵、分子泵和离子泵及相应的闸板阀对真空腔体抽真空，依次打开低真空规和高真空规测量腔体内部真空度；当真空度达到测量要求时，打开残余气体分析仪对真空腔内部的残余气体进行记录分析；G)关闭残余气体分析仪，开始按照预定程序进行测量：所述的电脑通过所述的能量计和光束质量分析仪对每一发激光脉冲的能量和光斑质量进行记录保存，损伤是否发生通过所述的CCD系统和观察窗进行判断记录，一片样品测量完毕后，移动样品台对第二片样品进行测量，以此类推，测量结束后，打开所述的残余气体分析仪对真空腔内部的残余气体进行记录分析；H)所有样品测量完毕后，暂停所述的测量激光器，依次关闭所述的高真空规、低真空规、离子泵、分子泵闸板阀，放气后打开舱门，更换样品后，重复步骤B)至G)继续下一轮测量。本专利技术中，所述的待测样品夹具被设计为一次可以装载4片50mm×50mm×1.5mm的样品，以后也可以根据样品尺寸需求，设计加工样品夹具。待测样品夹具21和三维移动台20都为无油组件。本专利技术中，测量激光器可以为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置，其特征在于该装置包括：一直线形的测量主光束传输管道(13)的左端面设有聚焦透镜(11)，该通道中设有分光镜(12)，该管道的右端与一测量室腔体(26)相连通，一折角形等效光路传输管道(31)的折角处内设有楔形片(32)，该等效光路传输管道(31)的短管头与所述的直线形的测量主光束传输管道(13)的相连通，所述的测量主光束传输管道(13)、等效光路传输管道(31)和所述的测量室腔体(26)联通后构成一个完整的真空环境；在所述的测量主光束传输通道(13)的下方设有分子泵接口(14)和离子泵接口(15)，分别连接分子泵和离子泵；在所述的楔形片(32)的后方放置能量计(33)，在所述的等效光路传输管道(31)的长管头的末端设有光束质量分析仪(30)；在所述的测量室腔体(26)内设置三维移动台(20)，待测样品(36)安装在待测样品夹具(21)上并固定在所述的三维移动台(20)上；所述的测量室腔体(26)一侧的中上部设有低真空规(16)、高真空规(17)、残余气体分析仪(18)、三维移动台控制线缆接口(19)和备用接口(22)，另一侧设有观察窗(29)和监测窗口(27)，在所述的监测窗口(27)安装CCD系统(28)；在所述的测量室腔体(26)内壁上设有多块能量吸收材料(23、24和25)；还有测量激光器(1)和He‑Ne激光器(2)，沿所述的测量激光器(1)的激光输出方向依次是第一1/2波片(3)、偏振片(4)、第二1/2波片(5)、电子快门(6)、两块测量光束反射镜(7，10)、聚焦透镜(11)、分光镜(12)、待测样品夹具(21)和能量吸收材料(25)，沿所述的He‑Ne激光器(2)的输出激光的方向依次是两块He‑Ne光反射镜(8、9)、聚焦透镜(11)照射在所述的待测样品(36)上；所述的测量激光器(1)发出的光束经过所述的分光镜(12)分为反射光束和透射光束：所述的透射光束依次经所述的测量主光束传输通道(13)、待测样品(36)和多块能量吸收材料(23、24和25)上，所述的反射光束经所述的等效光路传输管道(31)的楔形片(32)照射在所述的光束质量分析仪(30)上，从所述的楔形片(32)透过的光被所述的能量计(33)探测；所述的测量激光器(1)、第一1/2波片(3)、电子快门(6)、能量计(33)、残余气体分析仪(18)、光束质量分析仪(30)、三维移动台(20)和CCD系统(28)与所述的电脑相连(34)；所述的低真空规(16)、高真空规(17)以及所有的真空泵与工控机(35)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置，其特征在于该装置包括：一直线形的测量主光束传输管道(13)的左端面设有聚焦透镜(11)，该通道中设有分光镜(12)，该管道的右端与一测量室腔体(26)相连通，一折角形等效光路传输管道(31)的折角处内设有楔形片(32)，该等效光路传输管道(31)的短管头与所述的直线形的测量主光束传输管道(13)的相连通，所述的测量主光束传输管道(13)、等效光路传输管道(31)和所述的测量室腔体(26)联通后构成一个完整的真空环境；在所述的测量主光束传输通道(13)的下方设有分子泵接口(14)和离子泵接口(15)，分别连接分子泵和离子泵；在所述的楔形片(32)的后方放置能量计(33)，在所述的等效光路传输管道(31)的长管头的末端设有光束质量分析仪(30)；在所述的测量室腔体(26)内设置三维移动台(20)，待测样品(36)安装在待测样品夹具(21)上并固定在所述的三维移动台(20)上；所述的测量室腔体(26)一侧的中上部设有低真空规(16)、高真空规(17)、残余气体分析仪(18)、三维移动台控制线缆接口(19)和备用接口(22)，另一侧设有观察窗(29)和监测窗口(27)，在所述的监测窗口(27)安装CCD系统(28)；在所述的测量室腔体(26)内壁上设有多块能量吸收材料(23、24和25)；还有测量激光器(1)和He-Ne激光器(2)，沿所述的测量激光器(1)的激光输出方向依次是第一1/2波片(3)、偏振片(4)、第二1/2波片(5)、电子快门(6)、两块测量光束反射镜(7，10)、聚焦透镜(11)、分光镜(12)、待测样品夹具(21)和能量吸收材料(25)，沿所述的He-Ne激光器(2)的输出激光的方向依次是两块He-Ne光反射镜(8、9)、聚焦透镜(11)照射在所述的待测样品(36)上；所述的测量激光器(1)发出的光束经过所述的分光镜(12)分为反射光束和透射光束：所述的透射光束依次经所述的测量主光束传输通道(13)、待测样品(36)和多块能量吸收材料(23、24和25)上，所述的反射光束经所述的等效光路传输管道(31)的楔形片(32)照射在所述的光束质量分析仪(30)上，从所述的楔形片(32)透过的光被所述的能量计(33)探测；所述的测量激光器(1)、第一1/2波片(3)、电子快门(6)、能量计(33)、残余气体分析仪(18)、光束质量分析仪(30)、三维移动台(20)和CCD系统(28)与所述的电脑相连(34)；所述的低真空规(16)、高真空规(17)以及所有的真空泵与工控机(35)相连。2.根据权利要求1所述的真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置，其特征在于所述的分光镜(12)到待测样品(36)表面的距离L等于所述的分光镜(12)到所述的楔形片(32)的距离L1加上所述的楔形片(32)到所述的光束质量分析仪(30)的距离L2，即L＝L1+L2。3.根据权利要求1所述的真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置，其特征在于所述的三维移动台(20)具有使所述的待测样品夹具(21)沿水平方向、竖直方向移动以及绕纵轴转动的机构，所述的待测样品夹具(21...

【专利技术属性】
技术研发人员：晋云霞，孔钒宇，李大伟，赵元安，邵建达，张益彬，黄昊鹏，王勇禄，陈鹏，陈俊明，徐姣，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31