光学元件多波长激光损伤测试与分析系统技术方案

一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，该测试系统中能量采集、电机驱动、光束质量监测、损伤图像监测均由主控计算机自动化完成。本发明专利技术不仅包含了以往多种单光束损伤探测系统对各类光学元件激光损伤探测与分析的功能，并且能实时观测光学元件损伤的横向与纵向发展过程，测试系统具有从飞秒到纳秒不同激光脉宽的脉冲激光器，是一种自动化的支持多波长的适用于不同激光脉宽的光学元件激光损伤测试系统，为研究多波长激光与材料耦合相互作用提供实验平台。

Multi wavelength laser damage detection and analysis system for optical elements

A multi-wavelength laser damage testing and analysis system for optical elements is presented. The energy acquisition, motor drive, beam quality monitoring and damage image monitoring are all accomplished automatically by a computer. The invention not only includes the function of laser damage detection and analysis of various optical elements by various single-beam damage detection systems in the past, but also can observe the transverse and longitudinal development process of optical element damage in real time. The test system has a pulse laser with different pulse width from femtosecond to nanosecond, which is an automatic support. A multi-wavelength laser damage testing system for optical components with different laser pulse widths provides an experimental platform for studying the coupling interaction between multi-wavelength lasers and materials.

【技术实现步骤摘要】
光学元件多波长激光损伤测试与分析系统
本专利技术涉及光学元件激光损伤测试领域，具体涉及一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统。
技术介绍
高功率激光驱动器要求在长时间范围内稳定工作，或者系统的性能不产生明显降低。但是系统中光学元件受高功率激光辐照以后，很容易产生元件损伤。这种损伤在后续激光脉冲作用下会继续发展，影响高功率激光驱动器的光束输出质量，同时受调制的激光脉冲会造成后续光学元件的破坏，严重时将导致整个系统瘫痪。光学元件的抗激光损伤特性将直接影响整个系统的设计以及系统运行的性能，因而光学元件的激光损伤问题一直是激光向高能量、高功率方向发展的“瓶颈”，同时也是影响整个激光驱动器系统使用寿命的决定性因素之一。因此，光学元件损伤特性研究一直是发展高功率激光系统必须公关的一个课题。在激光脉冲损伤测试中，根据不同的辐照方式将损伤测试方法分为以下五种：1-on-1，每个测试点只接受一个激光脉冲辐照，不管出现损伤与否，样品移至下一个测试点，一个能量梯度测试十个点，然后计算损伤概率；R-on-1，对每个测试点进行能量密度以斜坡式渐增的多次辐照，直到损伤发生记录为损伤阈值，用来探测元件在抗激光损伤方面可达到的最大潜力的方法；N-on-1，对R-on-1方法的简化，可用n个脉冲以从小到大的顺序以比较分离的能量密度间隔作用于同一测试点；S-on-1，利用同样能量的多个脉冲作用于同一测试点，因此又被称为多脉冲损伤，用来研究元件在重复频率激光作用下的累积损伤效果；光栅扫描，损伤密度，通过通量扫描一定区域的样品(>～1cm2)得到相应的损伤密度，用以研究损伤激光脉冲的口径效应。在脉冲辐照样品的同时，利用相应的计算机算法控制三维电控样品台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，即可实现1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描等测试方法。上述分析我们发现几种扫描方式在参数设置方面(例如，扫描间隔)是可以统一的，唯一的差别是测试策略算法。所以，在后面的软件设计中根据这一思想对测试方法进行了统一。通过高倍率在线显微镜实现损伤点形貌数据采集，基于现有的图像处理算法判断损伤是否发生，也可以分析获得损伤点三维数据。尽管现有的专利技术从不同侧面介绍了激光损伤阈值测试系统，但未见到有专利将同一激光束倍频以后的多波长引入到激光损伤测试中，且测试系统大多只适用于脉宽在纳秒量级的激光器。通过控制不同晶体的匹配角与相应波长的能量调节装置可以实现不同能量比的三种波长激光脉冲作用于样品，从而研究多波长脉冲耦合效应对激光材料损伤的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，该系统不仅包含了以往多种单光束损伤探测系统对各类光学元件激光损伤探测与分析的功能，并且能实时观测光学元件损伤的横向与纵向发展过程，测试系统具有从飞秒到纳秒不同激光脉宽的脉冲激光器，是一种自动化的支持多波长的适用于不同激光脉宽的光学元件激光损伤测试系统，为研究多波长激光与材料耦合相互作用提供实验平台。本专利技术的技术解决方案如下：一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，特点在于其构成包括脉冲激光器，该脉冲激光器输出的激光依次经位于倍频干燥箱中的二倍频晶体和三倍频晶体后形成基频、二倍频、三倍频三种波长混合脉冲激光，沿该混合脉冲激光方向依次是第一分光片、第二分光片和第三分光片，在所述的第一分光片的三倍频光输出方向依次是三倍频半波片、三倍频偏振片和第六分光片；在所述的第二分光片的倍频光输出方向依次是二倍频半波片、二倍频偏振片、第五分光片和第六分光片；在所述的第三分光片的基频光方向依次是基频半波片、基频偏振片、第四分光片、第五分光片和第六分光片；经第六分光片输出的主光束经第一取样镜、第二取样镜、第一平凸透镜，最终聚焦在位于三维电控样品台上的待测样品；沿所述的第一取样镜的反射光方向是第一能量探测器，该第一能量探测器的输出端经图像采集卡与所述的计算机的输入端相连；沿所述的第二取样镜的反射光方向依次是反射镜和第二平凸透镜和光束质量分析仪，该光束质量分析仪经所述的图像采集卡与所述的计算机的输入端相连；在所述的第四分光片的出光方向的背面还设有半导体激光器；纵向成像装置和横向成像装置对准主光束在所述的待测样品的焦点，分别拍摄待测样品损伤点的横向与纵向发展情况，所述的纵向成像装置和横向成像装置通过图像采集卡与所述的计算机相连；白光光源对准所述的三维电控样品台以辅助损伤探测照明；所述的三倍频半波片、二倍频半波片和基频半波片分别安装在三个旋转安装座上，三个旋转安装座由第一运动控制器控制，该第一运动控制器的输入端与所述的计算机相连；所述的三维电控样品台由第二运动控制器控制，该第二运动控制器的输入端与所述的计算机相连；所述的二倍频晶体和三倍频晶体分别固定在两个运动台上，两个运动台由第三运动控制器控制，该第三运动控制器的输入端与所述的计算机相连。所述的三倍频半波片、二倍频半波片和基频半波片分别安装在三个旋转安装座上，该三个旋转安装座通过所述的第一运动控制器与所述的计算机相连，以实现单波长、两个波长或三个波长的损伤测试。所述的脉冲激光器的脉宽调节范围在百飞秒到几纳秒之间，激光波长的调节范围为300nm至1200nm。所述的三维电控样品台由所述的计算机编程并通过所述的第二运动控制器控制，通过计算机语言编写电机运动程序实现电机移动速度、加速度、水平点数、竖直点数、水平间距、竖直间距的设置，并实现多种不同损伤策略的运动控制算法。所述的二倍频晶体和三倍频晶体推入与推出光路由计算机编程并通过所述的第三运动控制器驱动电机运动实现控制。所述的待测样品可以是熔石英、晶体、金属、有机物、光栅或镀膜光学元件。所述的计算机具有光学元件激光损伤测试设置面板，包括下列子菜单和窗口：X方向控制子菜单：运动速度、运动加速度、绝对位置、移动间隔、向前移动、向后移动；Y方向控制子菜单：运动速度、运动加速度、绝对位置、移动间隔、向前移动、向后移动；Z方向控制子菜单：移动间隔、向前移动、向后移动；能量控制子菜单：基频半波片向前移动、基频半波片向后移动、二倍频半波片向前移动、二倍频半波片向后移动、三倍频半波片向前移动、三倍频半波片向后移动；晶体运动控制子菜单：二倍频晶体移入光路、二倍频晶体移出光路、三倍频晶体移入光路、三倍频晶体移出光路；损伤测试子菜单：打点数、打点间隔时间、打点行数、打点列数、水平间距、垂直间距、损伤图像保存位置、能量保存位置、S/1测试即单点测试、光栅扫描测试；横向图像监测显示窗口，显示所述的横向成像装置输出的横向图像；纵向图像监测显示窗口，显示所述的纵向成像装置输出的纵向图像。所述的脉冲激光器可采用飞秒、皮秒、纳秒等不同激光脉宽的激光器。本专利技术与现有技术相比较具有以下有益技术效果：1.本专利技术光学元件多波长激光损伤测试与分析系统不仅可满足传统单光束激光损伤测试系统的1-on-1、S-on-1、N-on-1、R-on-1、光栅扫描等激光损伤测试要求，而且可实现同一束脉冲激光不同波长成分合束，实现具有多波长的激光辐照测试，不同波长的脉冲成分比例可以通过改变晶体匹配角和调节半波片所在的能量控制系统来实现。2.本专利技术适用于脉宽在飞秒、皮秒、纳秒等不同时段的激光器，通过采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，特征在于其构成包括脉冲激光器(1)，该脉冲激光器(1)输出的激光依次经位于倍频干燥箱(2)中的二倍频晶体(3)和三倍频晶体(4)后形成基频、二倍频、三倍频三种波长混合脉冲激光，沿该混合脉冲激光方向依次是第一分光片(5)、第二分光片(6)和第三分光片(16)，在所述的第一分光片(5)的三倍频光输出方向依次是三倍频半波片(9)、三倍频偏振片(10)和第六分光片(18)；在所述的第二分光片(6)的倍频光输出方向依次是二倍频半波片(11)、二倍频偏振片(12)、第五分光片(17)和第六分光片(18)；在所述的第三分光片(7)的基频光方向依次是基频半波片(13)、基频偏振片(14)、第四分光片(16)、第五分光片(17)和第六分光片(18)；经第六分光片(18)输出的光束经第一取样镜(20)、第二取样镜(22)、第一平凸透镜(25)，最终聚焦在位于三维电控样品台(28)上的待测样品；沿所述的第一取样镜(20)的反射光方向是第一能量探测器(21)，该第一能量探测器(21)的输出端经图像采集卡(19)与所述的计算机(33)的输入端相连；沿所述的第二取样镜(22)的反射光方向依次是反射镜(23)和第二平凸透镜(24)和光束质量分析仪(27)，该光束质量分析仪(27)经所述的图像采集卡(19)与所述的计算机(33)的输入端相连；在所述的第四分光片的出光方向的背面还设有半导体激光器(15)；纵向成像装置(26)和横向成像装置(31)对准主光束在所述的待测样品的焦点，分别拍摄待测样品损伤点的横向发展情况与纵向发展情况，所述的纵向成像装置(26)和横向成像装置(31)通过所述的图像采集卡(19)与所述的计算机(33)相连；白光光源(34)对准所述的三维电控样品台(28)以辅助损伤探测照明；第二能量探测器(30)对准所述的主光束；所述的三倍频半波片(9)、二倍频半波片(11)和基频半波片(13)分别安装在三个旋转安装座上，三个旋转安装座由第一运动控制器(8)控制，该第一运动控制器(8)的输入端与所述的计算机(33)相连；所述的三维电控样品台(28)由第二运动控制器(29)控制，该第二运动控制器(29)的输入端与所述的计算机(33)相连；所述的二倍频晶体(3)和三倍频晶体(4)分别固定在两个运动台上，两个运动台由第三运动控制器(32)控制，该第三运动控制器(32)的输入端与所述的计算机(33)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，特征在于其构成包括脉冲激光器(1)，该脉冲激光器(1)输出的激光依次经位于倍频干燥箱(2)中的二倍频晶体(3)和三倍频晶体(4)后形成基频、二倍频、三倍频三种波长混合脉冲激光，沿该混合脉冲激光方向依次是第一分光片(5)、第二分光片(6)和第三分光片(16)，在所述的第一分光片(5)的三倍频光输出方向依次是三倍频半波片(9)、三倍频偏振片(10)和第六分光片(18)；在所述的第二分光片(6)的倍频光输出方向依次是二倍频半波片(11)、二倍频偏振片(12)、第五分光片(17)和第六分光片(18)；在所述的第三分光片(7)的基频光方向依次是基频半波片(13)、基频偏振片(14)、第四分光片(16)、第五分光片(17)和第六分光片(18)；经第六分光片(18)输出的光束经第一取样镜(20)、第二取样镜(22)、第一平凸透镜(25)，最终聚焦在位于三维电控样品台(28)上的待测样品；沿所述的第一取样镜(20)的反射光方向是第一能量探测器(21)，该第一能量探测器(21)的输出端经图像采集卡(19)与所述的计算机(33)的输入端相连；沿所述的第二取样镜(22)的反射光方向依次是反射镜(23)和第二平凸透镜(24)和光束质量分析仪(27)，该光束质量分析仪(27)经所述的图像采集卡(19)与所述的计算机(33)的输入端相连；在所述的第四分光片的出光方向的背面还设有半导体激光器(15)；纵向成像装置(26)和横向成像装置(31)对准主光束在所述的待测样品的焦点，分别拍摄待测样品损伤点的横向发展情况与纵向发展情况，所述的纵向成像装置(26)和横向成像装置(31)通过所述的图像采集卡(19)与所述的计算机(33)相连；白光光源(34)对准所述的三维电控样品台(28)以辅助损伤探测照明；第二能量探测器(30)对准所述的主光束；所述的三倍频半波片(9)、二倍频半波片(11)和基频半波片(13)分别安装在三个旋转安装座上，三个旋转安装座由第一运动控制器(8)控制，该第一运动控制器(8)的输入端与所述的计算机(33)相连；所述的三维电控样品台(28)由第二运动控制器(29)控制，该第二运动控制器(29)的输入端与所述的计算机(33)相连；所述的二倍频晶体(3)和三倍频晶体(4)分别固定在两个运动台上，两个运动台由第三运动控制器(32)控制，该第三运动控制器(32)的输入端与所述的计算机(33)相连。2.根据权利要求1所述的光学元件多波长激光损伤测试与分析系统，其特征在于所述的三倍频半波片(9)、二倍频半波片(11)和基频半波片(13)分别安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝艳飞，孙明营，郭亚晶，
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