一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法技术

本发明专利技术涉及一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，该方法包括以下步骤：①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。与现有技术相比，本发明专利技术具有可靠性高、精确度高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及透射型光学元件领域，尤其是涉及一种对透射型光学元件表面初始损伤特征的诊断和检测技术。
技术介绍
透射元件在激光加工、激光武器以及高功率激光系统等领域有着广泛的应用，是光学系统中必不可少的基本元件。由脆性材料熔石英研磨、抛光而成的透射元件，在其制备过程中不可避免地会引入表面和亚表面缺陷，成为激光破坏的主要诱因和元件使用寿命的短板，其损伤阈值大大低于本体材料。特别是当透射元件在强激光辐照下发生激光损伤时，透射元件表面受强烈的热力作用，将会形成材料蒸发、断裂和粒子喷射等行为。研究粒子的尺寸、喷射方向、喷射速度等信息，是损伤动力学研究的重要范畴之一，将会有助于理解激光损伤的发生过程、阐明纳秒脉冲激光的损伤机理。材料在损伤后发生粒子喷射的现象，一般出现在激光辐照后的几十纳秒，并将持续至微秒或更长的时间尺度。然而，初始的几十至几百纳秒阶段，伴随等离子体闪光和大块材料剥落等现象，粒子的喷射行为不容易捕获。此外，由于粒子的飞行速度在0.1-10微米/纳秒范围左右，需要采用快速成像的方式获得近似瞬态的粒子图像，否则粒子的飞行轨迹将形成严重的拖影甚至无法获得。基于栗浦探测成像技术能够研究激光损伤初期材料的喷射行为，为获得粒子的瞬态特征，许多研究选用栗浦光为纳秒脉冲激光，探测光为飞秒脉冲激光，但飞秒激光器造价昂贵，且该方法需要两台激光器和同步触发装置，成本高且对硬件要求苛刻。若采用纳秒脉冲激光作为探测光，高速运动的粒子在曝光时间内将飞行一段距离而形成拖影，就会影响测量精度。此外，在粒子速度的计算中，通常获取两幅存在时间延迟的图像，比较粒子在不同图像中位置的差异从而计算出飞行速度，然而，不同曝光条件的差异(P偏振态光和S偏振态光)、粒子飞行中在不同空间位置的变化都会降低最终的成像质量。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精确度高的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:—种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，该方法包括以下步骤:①基于栗浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。所述双探测光单相机成像系统包括一纳秒脉冲激光器、一 1064nm波长透射、532nm波长反射的反射镜、一半透半反镜、三宽角度反射镜和一长工作距离显微镜，该双探测光单相机成像系统工作时，纳秒脉冲激光器同时输出栗浦光、第一束探测光和第二束探测光，所述栗浦光经反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第一束探测光依次经反射镜、半透半反镜、一宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第二束探测光依次经反射镜、半透半反镜、另两宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，长工作距离显微镜采用暗场照明方式获取经照射后的透射型光学基板的图像。所述步骤②具体为:11)纳秒脉冲激光器同时输出栗浦光、第一束探测光和第二束探测光，所述栗浦光为脉宽T。为10ns的1064nm激光，所述第一束探测光和第二束探测光均为脉宽T。。为8.5ns的532nm激光，第一束探测光和第二束探测光同为P偏振态光；12)通过调节第一束探测光和第二束探测光到达透射型光学基板的空间距离，调节第一束探测光相对于栗浦光的时间延迟，以及两束探测光之间的时间延迟；13)从低能量开始，逐步增加栗浦光激光能量，直至透射型光学基板发生损伤；14)长工作距离显微镜采用暗场照明方式获取经照射后的透射型光学基板的图像，两束探测光的图像均由同一个长工作距离显微镜捕获，获得的两幅图像叠加在一起，从而获得喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像。所述步骤12)中，空间距离与时间延迟的关系为:空间距离每增加30cm为Ins的时间延迟。所述步骤12)中，调节第一束探测光相对于栗浦光的时间延迟!\为100-150ns，调节两束探测光之间的时间延迟1为8.5nsο所述步骤14)中，长工作距离显微镜采用图像触发模式进行拍照:当透射型光学基板损伤时，暗场图像中喷射粒子和等离子体图像的灰度值大于触发阈值，长工作距离显微镜拍照，所述触发阈值为1024。所述第一束探测光和第二束探测光的入射角度的差异不超过±5°。所述步骤③具体为:21)在图像中，获得某个喷射粒子^在第一束探测光下捕获的图像，采用图像处理技术依据直线飞行中的拖影效应，获取在脉宽TM= 8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(x^yn，)、中心位置(x^yn)、前端边缘中心位置(x^yu，，)、喷射角度Θ 1、在喷射方向上的长度Rn与喷射方向垂直方向上的宽度d 11；22)在喷射角度Θ i上寻找另一喷射粒子i 2，该喷射粒子i2即喷射粒子i i在第二束探测光下的图像，获取在脉宽TM= 8.5ns曝光时间下产生的拖影图像其后端边缘中心位置(xl2,，yl2,)、中心位置(Xl2，yl2)、前端边缘中心位置(Xl2,,，yl2”)、在喷射方向上的长度Rl2与喷射方向垂直方向上的宽度dl2;23)在喷射角度Θ ，根据喷射粒子i i的前端边缘中心位置(χ u”，yir0和喷射粒子i2的后端边缘中心位置(χ l2，，yl2，)，计算出无探测光区域在喷射方向上的长度Ri12:Ril22= (x24)计算喷射粒子在不同曝光时间下的平均飞行速度:vn= (R n+Ri^/^oo+Tz), vl2= (R l2+Rll2)/(T00+T2)；25)计算喷射粒子在不同曝光时间下、在喷射角度Θ i上的等效长度和等效直径:d01= (υ?12)/2，de2= (Ri2_Ril2)/2rn2= d n2+de2, riZ2= d iZ2+de2其中，de1、de2为等效长度，r u、rl2为等效直径；26)比较Vll和v l2，判断同一粒子在不同时间下的速度是否发生变化；比较乜和dl2、(101和d 02，判断同一粒子在飞行中是否发生翻转。所述图像处理技术利用图像最小可识别灰度获得喷射粒子的长度和位置信息，所述图像最小可识别灰度的值ga为粒子最大灰度值g iH的50%。所述透射型光学基板为熔石英基板。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果:(1)本专利技术基于栗浦探测技术，通过建立双探测光单相机成像系统，调节两束探测光的时间间隔，获得同一位置在不同时间的耦合曝光图像，图像获取方便可靠；(2)利用与激光脉宽半高全宽相对应的图像最小可识别灰度，获得颗粒的长度和位置信息，依据不同曝光时间下颗粒的前后端位置信息，消除拖影效应中粒子的尺寸影响，计算出的喷射方向、喷射速度和等效尺寸更为精确；(3)本专利技术在纳秒探测光成像中减小了拖影效应、散射光差异和位置变化的影响，由此获得更为准确的特征信息。【附图说明】图1为本专利技术双探测光单相机成像系统的结构示意图；图2为本专利技术双光束成像粒子喷射行为示意图。图1中，1为纳秒脉冲激光器，2为反射镜，3为半透半反镜，4、5、6均为宽角度反射镜，7为熔石英基板，8为长工作距本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，其特征在于，该方法包括以下步骤：①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马彬，王可，张莉，陆梦蕾，焦宏飞，程鑫彬，王占山，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31