一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法技术

本发明专利技术涉及一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法，方法包括：通过相纸确定激光焦面的大体位置。然后调节半波片，将测试激光衰减，衰减后的激光经过平板分束镜反射分光，反射光能量密度低于CCD相机的像元饱和阈值。将CCD相机放在导轨上，并置于光路中。沿光路方向滑动CCD相机的位置，通过CCD相机软件的读数，计算得到最小光斑附近五处光斑面积。在五处光斑面积中选择面积最小的一个光斑的位置，在该位置前后连续移动导轨，通过观察CCD相机中采集到的光斑大小，移动过程中光斑最小的位置即为焦面位置。该方法适用于非对称光斑能量分布的高能量激光，并且能够准确测定聚焦后焦面位置的光斑大小。后焦面位置的光斑大小。后焦面位置的光斑大小。

【技术实现步骤摘要】
一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法


[0001]本专利技术涉及一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法，属于激光损伤阈值测试领域。

技术介绍

[0002]光学元件与材料的激光损伤阈值测试是让接受测试的样品暴露在一定程度的激光能量密度下，检测其是否发生光学损伤，若无损伤，则增加能量密度，并重复暴露和检测步骤。这个过程一直持续到在样品上观察到损伤。损伤时的激光能量密度即为样品的损伤阈值。
[0003]在光学元件与材料的激光损伤阈值测试过程中需要知道激光作用在被测样品上的阈值总能量与激光的光斑面积，两者相除就可得到该样品的激光损伤阈值。阈值总能量通过激光能量计获得，激光光斑面积通过CCD相机获得。如果被测样品上的激光光斑的能量分布是均匀的，那么光斑面积的测量较为简单。但是实际上激光光斑的空间能量分布不均匀，且测试中一般采用聚焦光斑，在确定光斑面积时首先要确定焦面的位置。用于损伤阈值测试的激光能量密度较高，如果采用中性密度滤光片衰减片进行衰减，激光经过中性密度滤光片衰减片时会产生多光子吸收、光克尔效应等非线性效应，另外衰减片划痕会引入杂散光，同时由于衰减片对激光能量的吸收，吸收的能量会使得衰减片产生一定的热效应，因此对于高能量密度激光损伤阈值测试实验，采用中性密度滤光片衰减片衰减的方法会造成测试结果的不准确。
[0004]专利文献CN1193212C公开了一种测定激光束光斑尺寸的方法,包括:使激光束沿扫过参考刀口的路径扫描,该参考刀口有一光电检测器位于其后；和测量光电检测器在扫描期间的输出信号,该输出信号与扫描期间入射光电检测器的激光束光斑面积对应。中国专利文献CN104874913A公开了测量激光光斑大小与靶材定位的装置及方法，用于夹持相纸的夹具置于升降台上，升降台安装于X
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Y运动工作台上，X
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Y运动工作台位于多螺纹孔工作台底座上，伺服电机与X
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Y运动工作台和升降台驱动连接，激光器的输出光路上设置光路系统，光路系统的输出端正对于夹具所夹持的相纸，激光器的光路输出端还布置有用于接收光信号的光电传感器，光电传感器连接至工控机，工控机与伺服电机控制连接。利用激光冲击波作用在相纸上形成的离散斑点，精密测量，逐级逼近所需的光斑大小；利用薄膜来定位靶材；利用测量离散斑点的尺寸来逼近所需斑点尺寸。但是，以上专利的测试方法不适用于高能量激光，或者非对称光斑能量分布。实际的激光能量的空间分布并非是均匀的，这就不能简单地用几何方法计算激光光斑的面积。
[0005]国标GB/T16601.1
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2017《激光器和激光相关设备——激光损伤阈值测试方法》中给出靶平面定义为：过入射激光光轴与测试样品表面的交点，与测试样品表面相切的平面，而入射激光的有效面积定义为：靶平面内激光脉冲能量与激光脉冲的最大能量密度的比值。但是其并没有对具体光斑有效面积的测试过程进行阐述。
[0006]国标GBT 13739
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2011《激光光束宽度、发散角的测试方法以及横模的鉴别方法》则
提出了通过刀口法对激光光斑宽度进行测量。刀口法对高斯光或近高斯型的光束测量较为容易，因为该类光斑分布具有圆对称性。但实际的激光能量的空间分布并非是均匀的，这就不能简单地用几何方法计算激光光斑的面积。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法，该方法采用半波片和偏振片组合做成高精度连续可调衰减装置，这方便于CCD相机中光强的调节；并通过光斑的激光总能量Q、背景光总能量E
b
、峰值能量E和CCD相机单个像元面积得到有效，得到激光光斑的有效面积，能够准确测定聚焦后焦面位置的光斑大小。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法，该测定方法使用的测试装置包括激光光源、半波片、偏振片、吸收池、聚焦透镜、平板分束镜、CCD相机、滑动导轨、激光反射镜和电子计算机；激光光源发射的激光首先经过半波片，使得激光的偏振方向发生转动，然后入射到偏振片，使得S偏振激光发生反射，P偏振激光发生透射；反射的激光入射到位于偏振片一侧的吸收池中；透射的激光先经过聚焦透镜进行汇聚，再入射到平板分束镜，平板分束镜将激光分为两条光路，即采样光路和主光路；在主光路中，激光直接入射到待测样品的表面；在采样光路上设置有激光反射镜、CCD相机和滑动导轨，CCD相机固定在滑动导轨中，激光通过激光反射镜反射到CCD相机中进行光斑采集；并且CCD相机与电子计算机相连接，电子计算机用于计算CCD相机采集到的光斑的大小；
[0010]所述测定方法包括：
[0011](1)搭建所述测试装置，在主光路中，调节三维位移平台使得样品位于激光焦面的位置；将相纸放置在采样光路中，调节相纸在采样光路中位置，相纸上光斑直径最小的位置为接近激光焦面的位置；
[0012](2)将滑动导轨置于采样光路中，并将CCD相机放置在滑动导轨中，使得CCD相机固定在步骤(1)确定的所述接近激光焦面的位置；调节半波片，将采样光路中的激光衰减到能量密度低于CCD相机的像元饱和阈值；当采样光路中入射光的功率足够高时，CCD相机的输出信号达到最大值，再增大入射激光的功率，信号幅值基本上保持常数，从而判断达到CCD相机的像元饱和阈值；激光能量通过能量计测量采用的CCD相机要求其具有能够测量激光光斑直径峰值点、中心点能量密度大小的功能。其主要有以下优势：可测得激光光斑直径峰值点、中心点能量密度大小；实时观测光斑峰值点中心点位置的变化，了解光斑的变化情况；对背景光能量进行扣除，有效地提高了测量结果的精确度。
[0013](3)调节滑动导轨改变CCD相机在采样光路上的位置，使得CCD相机位于激光焦面位置，然后根据CCD相机在激光焦面位置处采集到的光斑的总能量以及光斑的峰值能量计算有效光斑面积S。通过滑动导轨移动CCD相机位置时，确保光斑始终在CCD相机视场中。
[0014]本专利技术中，通过调节半波片来控制通过偏振片的激光能量，来达到衰减的目的。入射到半波片的激光偏振方向由激光光源决定。半波片是平行光轴切割的石英平板，它使出射光的偏振方向发生转动，于是光束不能全部通过后面放置的偏振片，也就是说发生了光束的衰减。只要让半波片围绕法线旋转就可以改变组合装置的透过率，其变化范围可从1降低到0。因为衰减量的控制精度由半波片旋转角精度来决定，所以半波片和偏振片组合可以
做成高精度连续可调衰减装置，这方便于CCD相机中光强的调节。另外，半波片与偏振片的损伤阈值较高，对光吸收小，因此对原激光光斑形状与大小没有影响。经实验验证，通过半波片以及偏振片改变激光能量后，光斑大小与能量改变前相同，因此能够保证损伤测试中，光束能量变化不会引起光斑大小的变化。而传统测量中，通过改变激光器泵浦等方式来改变激光能量，会导致光斑大小发生变化，因此测量结果不准确。
[0015]根据本专利技术优选的，步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法，其特征在于，该测定方法使用的测试装置包括激光光源、半波片、偏振片、吸收池、聚焦透镜、平板分束镜、CCD相机、滑动导轨、激光反射镜和电子计算机；激光光源发射的激光首先经过半波片，使得激光的偏振方向发生转动，然后入射到偏振片，使得S偏振激光发生反射，P偏振激光发生透射；反射的激光入射到位于偏振片一侧的吸收池中；透射的激光先经过聚焦透镜进行汇聚，再入射到平板分束镜，平板分束镜将激光分为两条光路，即采样光路和主光路；在主光路中，激光直接入射到待测样品的表面；在采样光路上设置有激光反射镜、CCD相机和滑动导轨，CCD相机固定在滑动导轨中，激光通过激光反射镜反射到CCD相机中进行光斑采集；并且CCD相机与电子计算机相连接，电子计算机用于计算CCD相机采集到的光斑的大小；所述测定方法包括：(1)搭建所述测试装置，在主光路中，调节三维位移平台使得样品位于激光焦面的位置；将相纸放置在采样光路中，调节相纸在采样光路中位置，相纸上光斑直径最小的位置为接近激光焦面的位置；(2)将滑动导轨置于采样光路中，并将CCD相机放置在滑动导轨中，使得CCD相机固定在步骤(1)确定的所述接近激光焦面的位置；调节半波片，将采样光路中的激光衰减到能量密度低于CCD相机的像元饱和阈值；(3)调节滑动导轨改变CCD相机在采样光路上的位置，使得CCD相机位于激光焦面位置，然后根据CCD相机在激光焦面位置处采集到的光斑的总能量以及光斑的峰值能量计算有效光斑面积S。2.根据权利要求1所述的一种激光损伤阈值测试中光斑有效面积准确测定方法，其特征在于，步骤(3)中，调节滑动导轨改变CCD相机在采样光路上的位置，使得CCD相机位于激光焦面位置，然后根据CCD相机在激光焦面位置处采集到的光斑的总能量以及光斑的峰值能量计算有效光斑面积S，具体过程为：3
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1，测量CCD相机在步骤(1)获得的接近激光焦面的位置及其前后至少五个位置处的光斑面积，选取最小光斑面积的位置，并且相邻位置之间的距离为小于等于样品的厚度；3
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2，在选取最小光斑面积的位置后，在该位置前后连续移动滑动导轨，通过观察CCD相机中采集到的光斑大小，移动过程中光斑最小的位置即为焦面位置；3<...

【专利技术属性】
技术研发人员：程文雍，杨厚文，李大振，宋琛，张嘉宇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：