一種激光損傷光學元件過程的記錄方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種激光對光學元件損傷過程的動態記錄方法及其裝置，可用于激光加工、光學元件的檢測、激光與物質相互作用的機理分析等領域。本發明為：將與輻照激光同軸的He-Ne激光投射于受試光學元件中成像點A；采用表面記錄相機和功能記錄相機采集點A處的表面成像，并設置第一補光光源和第二補光光源投射光線至A，分別對表面記錄相機和功能記錄相機的成像進行補光；第二補光光源與光學元件之間的光路上設置分辨率板。采用表面記錄相機采集光學元件表面點A處的表面圖像進行記錄并分析光學元件的形貌損傷程度，采用功能記錄相機采集經點A反射的分辨率板圖像并分析光學元件的功能損傷程度。本發明適用于對激光損傷光學元件的過程進行動態記錄。
【專利說明】一種激光損傷光學元件過程的記錄方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種激光對光學元件損傷過程的動態記錄方法及其裝置，可用于激光加工、光學元件的檢測、激光與物質相互作用的機理分析等領域。
【背景技術】
[0002]光學元件通常由基底材料和表面光學薄膜組成，是構成各類光學系統的主要部件。光學元件在強激光輻照下會出現各種不同程度的損傷，目前對該損傷進行檢測和記錄的方法主要有顯微觀測、散射光法、光熱光聲法、掃描電鏡法、干涉法、全息探測法、等離子體閃光法等。其中，能夠實時檢測并記錄損傷過程的主要有散射光法和等離子體閃光法。
[0003]散射光法是將可見的He-Ne激光以一定角度斜入射到輻照激光在光學元件表面的入射點，當該表面在輻照激光作用下發生損傷時，He-Ne激光散射光的能量也將出現變化，因此可以通過He-Ne激光散射光的能量變化來判斷激光損傷的發生；等離子體發光法是通過觀察光學元件在激光輻照下所產生的等離子體發光現象來判斷元件是否損傷。
[0004]可以看出，上述散射光法與等離子體發光法是通過散射光能量變化或者發光現象進行損傷檢測的，因此其并不能以直觀的圖像來顯示整個損傷過程，對損傷機理的分析幫助不大，也不能反映損傷發生的程度。而且，在連續激光或長脈沖激光輻照時，等離子體閃光比較弱，很多時候甚至不能反映損傷的發生。
[0005]由此，以上現有方法在檢測和記錄激光對光學元件的損傷方面存在如下主要缺陷:
[0006]1、無法對光學元件的損傷動態過程進行記錄，在高功率或者高能量激光的某些應用，如激光加工、激光損傷等應用中，測試者更加關注的是損傷發生的過程，例如，在一定的到靶功率或能量密度下，光學元件能否發生損傷、損傷的過程、程度和發展速度等。
[0007]2、對損傷過程中元件功能的變化關注不夠，由于光學元件功能的變化對整個光學系統的工作有重要影響，有時用元件功能的變化判斷是否存在損傷更加合理。
[0008]因此對于激光損傷光學元件的檢測和記錄方法提出了以下新的要求:一是需要可以實時檢測并記錄損傷發生的動態過程；二是要求可以直觀反映損傷發生的程度；三是要求能夠反映光學元件受到損傷后功能的變化。而檢測并記錄光學元件在激光輻照下，形貌和功能的動態變化過程是現有技術所不具備的。
【發明內容】
[0009]有鑒于此，本發明提供了一種激光損傷光學元件過程的記錄方法，能夠在激光損傷光學元件時，實現實時檢測和記錄光學元件在激光輻照下表面形貌的變化，同時能夠實現同步記錄光學元件在激光輻照下功能發生的變化。
[0010]為達到上述目的，本方法包括如下步驟:
[0011 ] 第一步、將輻照激光與He-Ne激光調整至同軸；關閉輻照激光，打開He-Ne激光，將He-Ne激光投射于受試光學兀件中表面一點，該點記為激光福照點A。
[0012]第二步、采用表面記錄相機和功能記錄相機聚焦于成像點A,調整表面記錄相機的鏡頭焦距使其對激光輻照點A處的表面成像；同時設置第一補光光源和第二補光光源投射光線至激光輻照點A，分別對表面記錄相機和功能記錄相機的成像進行補光。
[0013]第一補光光源的投射光線經激光輻照點A反射至表面記錄相機中；第二補光光源的投射光線經激光輻照點A反射至功能記錄相機中，在第二補光光源與光學元件之間的光路上設置分辨率板；移動分辨率板的位置，并調節功能記錄相機的焦距，使其對經A點反射的分辨率板成像。
[0014]第三步、關閉He-Ne激光，打開輻照激光，采用表面記錄相機對光學元件表面激光輻照點A處的表面圖像進行記錄，采用功能記錄相機對經激光輻照點A反射的分辨率板圖像進行記錄。
[0015]第四步、激光輻照結束后，利用表面記錄相機所采集的各幀表面圖像與標準表面圖像進行對比，根據各幀表面圖像與標準表面圖像之間的表面形貌變化，分析在不同的激光輻照時間下，受試光學元件的形貌損傷程度。
[0016]標準表面圖像為在無輻照激光和He-Ne激光入射的情況下，表面記錄相機所采集的A點的表面圖像。
[0017]利用功能記錄相機采集各幀分辨率板圖像，與標準分辨率板圖像進行對比，根據各幀分辨率板圖像和標準分辨率板圖像間相對位置點以及圖形畸變，計算得出其激光輻照過程中圖像的位置點的相對偏移量或者灰度變化，并對圖形畸變情況進行分析，從而獲得受試光學元件的功能在激光照射下的損傷過程以及損傷程度。
[0018]標準分辨率板圖像為在無輻照激光和He-Ne激光入射的情況下，功能記錄相機所采集的經A點反射后的分辨率板圖像。
[0019]優選地，若輻照激光為脈沖體制激光，則設置表面記錄相機和功能記錄相機的幀頻均與激光脈沖的頻率相同；若輻照激光為連續或者準連續激光，則設置表面記錄相機和功能記錄相機的巾貞頻相同。
[0020]優選地,設置表面記錄相機和功能記錄相機的巾貞頻時,采用同步控制；表面記錄相機和功能記錄相機均設置外部觸發端口，該外部觸發端口連接同步控制器；同步控制器的功能為:當輻照激光為脈沖體制激光時，以輻照激光的每一個脈沖觸發同步控制器，當輻照激光為連續或者準連續激光時，以設定的的頻率觸發同步控制器，同步控制器在被觸發后，通過外部觸發端口同時觸發表面記錄相機和功能記錄相機進行一幀圖像的采集。
[0021]本發明同時提供了一種激光損傷光學元件過程的記錄裝置，基于上述方法，使用該裝置能夠實現實時檢測和記錄光學元件在激光輻照下表面形貌的變化，同時能夠實現同步記錄光學元件在激光輻照下功能發生的變化。
[0022]為達到上述目的，本裝置包括輻照激光發射儀、He-Ne激光發射儀、第一補光光源、第二補光光源、表面記錄相機、功能記錄相機以及分辨率板。輻照激光發射儀用于將輻照激光投射于受試光學元件表面一點，即激光輻照點A ；He-Ne激光發射儀用于將與輻照激光同軸的He-Ne激光投射于受試光學元件中的激光輻照點A ;第一補光光源用于投射第一光線至A點；第二補光光源用于投射第二光線至A點；其中第二補光光源與A點之間的光路上設置分辨率板；表面記錄相機聚焦于A點，且位于A點對第一光線的反射光路上；功能記錄相機聚焦于經A點反射后的分辨率板成像，且位于A點對第二光線的反射光路上。
[0023]進一步地，該裝置還包括同步控制器，表面記錄相機和功能記錄相機均設置外部觸發端口，該外部觸發端口連接同步控制器；同步控制的功能為:當輻照激光為脈沖體制激光時，以激光的每一個脈沖觸發同步控制器，當輻照激光為連續或者準連續激光時，以設定的頻率觸發同步控制器，同步控制器在被觸發后，通過外部觸發端口同時觸發表面記錄相機和功能記錄相機對A點進行一幀圖像的采集。
[0024]有益效果:
[0025]1、本方法設置了表面記錄相機和功能記錄相機,并針對表面記錄相機和功能記錄相機的不同檢測功能進行了不同的光路設定，以此來記錄光學元件在激光輻照下所發生的表面損傷形貌、功能變化、過程時間演變等信息，并通過后續對試驗結果的分析可以準確判斷光學元件發生表面形變、功能變化、或不同程度損傷的時刻，有助于分析光學元件在激光輻照下發生損傷的機理。本發明中例如，可以通過對經光學元件表面反射的分辨率板成像狀態變化的定量標定，分析元件表面的形變和反射功能的變化；再如，可以通過對不同時間損傷圖像的分析和測量，計算激光損傷的發展速度、進而分析作用機制。
[0026]2、本方法通過設定表面記錄相機和功能記錄相機的巾貞頻來實現對脈沖激光或連續激光的不同圖像獲取，同時又采用觸發機制的同步控制器來實現對于兩個相機的同步控制，從而能夠為后續對于各幀圖像的分析提供較為明確的時間節點，為確定不同程度的表面損傷和功能損傷發生的時刻提供便利，從而能夠更加精確地確定發生不同程度的宏觀損傷時所需要的輻照激光能量密度閾值。
[0027]3、本發明同時提供了一種激光損傷光學元件過程的記錄裝置，基于上述方法，使用該裝置能夠實現實時檢測和記錄光學元件在激光輻照下表面形貌的變化，同時能夠實現同步記錄光學元件在激光輻照下功能發生的變化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明方法中的各部分組成圖；
[0029]圖2(a)為利用表面記錄相機所采集的其中一幀表面圖像；(b)為標準表面圖像；
[0030]圖3(a)為利用功能記錄相機采集其中一幀分辨率板圖像；(b)為標準分辨率板圖像。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0032]實施例1、
[0033]本發明提供了一種激光損傷光學元件過程的記錄方法，其特點是同步記錄受試光學元件表面形貌和功能的變化過程，如圖1所示，該方法是通過表面記錄相機和功能記錄相機以及二者各自的補光光源組成的。該方法具體包括如下步驟:
[0034]第一步、將輻照激光與He-Ne激光調整至同軸；關閉輻照激光，打開He-Ne激光，將He-Ne激光投射于受試光學兀件中表面一點，該點記為激光福照點A。
[0035]He-Ne激光為光學實驗過程中常用的激光形式，這是因為輻照激光是不可見的，而He-Ne激光則是通常所見的紅色激光，這可用于精確引導后續表面記錄相機和功能記錄相機在光學元件表面的成像位置A，使二者對元件的同一部分表面進行記錄。
[0036]本步驟實際的實施過程中，為了固定受試光學元件并使其能夠進行一定的移動，可以將受試光學元件固定于三維平移臺上，該三維平移臺可以進行精密移動。同時在受試光學元件背離激光入射點的方向一定距離處設置激光吸收池，這樣能夠吸收多余激光，可避免激光進一步損傷其他光學元件。
[0037]第二步、采用表面記錄相機和功能記錄相機聚焦于激光福照點A,調整表面記錄相機的鏡頭焦距使其對激光福照點A處的表面成像；同時設置第一補光光源和第二補光光源投射光線至激光輻照點A分別對表面記錄相機和功能記錄相機的成像進行補光。
[0038]第一補光光源的投射光線經激光輻照點A反射至表面記錄相機中，該光路中無遮擋；第二補光光源的投射光線經激光輻照點A反設置功能記錄相機中，該光路中在第二補光光源一端放置分辨率板。
[0039]移動分辨率板的位置，并調節功能記錄相機的焦距，使其對經A點反射的分辨率板圖像。
[0040]該步驟中各元器件的選取要求具體為:
[0041]1、表面記錄相機和功能記錄相機
[0042]該兩種相機均由CMOS相機和光學系統組成，二者選取相同的參數。其中，CMOS相機的參數主要根據激光體制、成像要求和圖像存儲能力等進行選取。當激光為脈沖體制時，可選相機幀頻與脈沖頻率相同，這樣可以觀測每個激光脈沖對元件造成的損傷；對于連續或準連續激光，如果相機幀頻過高會對采集和存儲帶來很大的困難，考慮到激光對光學元件造成損傷的主要物理機制是熱和熱應力，是緩變過程，幀頻在IkHz時即可以毫秒的時間尺度觀測并記錄光學元件的變化，應可滿足需求。
[0043]設置表面記錄相機和功能記錄相機的巾貞頻時,采用同步控制器；表面記錄相機和功能記錄相機均設置外部觸發端口，該外部觸發端口連接同步控制器，當激光為脈沖體制激光時，以激光的每一個脈沖觸發同步控制器，當激光為連續或者準連續激光時，以IkHz的頻率觸發同步控制器，同步控制器在被觸發后，通過外部觸發端口同時觸發表面記錄相機和功能記錄相機進行一巾貞圖像的采集。
[0044]CMOS相機積分時間的選取主要根據補光光源強度以及入射激光雜散光的強弱來決定；相機的像素大小主要根據樣品的大小，激光光斑大小，成像距離，分辨率板的刻度等參數決定的。
[0045]相機的光學系統又包括鏡頭和濾光片。鏡頭用于對光學兀件表面或分辨率板成像，為提高分辨能力，鏡頭應選用短焦距的放大鏡頭，其放大倍數與成像距離，光斑大小以及受試樣品的大小有關，成像區域應大于激光在光學元件上的輻照區域。濾光片主要用于濾除輻照激光的雜散光以提高成像質量，一般采用低通濾光片或者帶通濾光片來實現。
[0046]2、補光光源
[0047]可以用LED強光光源，亮度越高效果越好，并且需要帶有聚光功能。
[0048]3、分辨率板
[0049]即實驗室常規分辨率板，分辨率板經受試光學元件表面反射后在功能記錄相機中成像，樣品未受激光輻照時，其表面平整，那么可以在功能記錄相機中得到清晰的分辨率板成像，當光學元件受到激光輻照后表面出現熱變形、熔融等形貌變化，那么功能記錄相機中觀察到的分辨率板的像則會模糊，此時可以認為受試樣品表面的反射功能受到影響。
[0050]第三步、關閉He-Ne激光，打開輻照激光，采用表面記錄相機對光學元件表面激光輻照點A處的表面圖像進行記錄，采用功能記錄相機對經激光輻照點A反射的分辨率板圖像進行記錄。
[0051]第四步、激光輻照結束后，利用表面記錄相機所采集的各幀表面圖像與標準表面圖像進行對比，其中標準表面圖像為在無激光入射的情況下，表面記錄相機對A點的圖像，如圖2(b)所示，圖2(a)為利用表面記錄相機所采集的其中一幀表面圖像，根據各幀表面圖像與標準表面圖像之間的表面形貌變化，即圖2(a)和(b)之間的差別，分析在不同的激光輻照時間下，受試光學元件的形貌損傷程度。
[0052]利用功能記錄相機米集各巾貞分辨率板圖像如圖3 (a)所不，與標準分辨率板圖像進行對比，標準分辨率板圖像為在無激光入射的情況下，分辨率板在受試光學元件中成像點A的成像,如圖3(b)所示。
[0053]根據各幀分辨率板成像和標準分辨率板成像間相對位置點以及圖形畸變，計算得出其激光輻照過程中圖像的位置點的相對偏移量，并對圖形畸變情況進行分析，從而獲得受試光學元件的功能在激光照射下的損傷過程以及損傷程度；
[0054]根據圖3(a)和(b)，可以看出(a)中由于光學元件材料熱變形出現了扭曲的圖像，通過二者的對比并計算某一位置點的相對偏移量或者其他變化，可分析該處光學元件的功能損傷，例如通過圖3(a)和(b)同一位置點的灰度值的變化，可計算得出此位置光學元件表面的反射率的變化。
[0055]實施例2、
[0056]基于上述方法，本實施例提供了一種激光損傷光學元件過程的記錄裝置，該裝置包括He-Ne激光發射儀、第一補光光源、第二補光光源、表面記錄相機、功能記錄相機以及分辨率板。
[0057]He-Ne激光發射儀用于將He-Ne激光投射于受試光學元件中表面一點，該點記為成像點A。
[0058]第一補光光源用于投射第一光線至A點。
[0059]第二補光光源用于投射第二光線至成像點A ;其中第二補光光源與A點之間的光路上設置分辨率板。
[0060]表面記錄相機聚焦于A點，且位于A點對第一光線的反射光線上。
[0061]功能記錄相機聚焦于A點，且位于A點對第二光線的反射光線上。
[0062]本實施例中為了能夠實現方法中的同步控制，該裝置還包括同步控制器，表面記錄相機和功能記錄相機均設置外部觸發端口，該外部觸發端口連接同步控制器；
[0063]同步控制的功能為:當He-Ne激光儀所發射激光為脈沖體制激光時，以激光的每一個脈沖觸發同步控制器，當He-Ne激光儀所發射激光為連續或者準連續激光時，以IkHz的頻率觸發同步控制器，同步控制器在被觸發后，通過外部觸發端口同時觸發表面記錄相機和功能記錄相機對A點進行一巾貞圖像的采集。
[0064]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種激光損傷光學元件過程的記錄方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步、將輻照激光與He-Ne激光調整至同軸；關閉輻照激光，打開He-Ne激光，將He-Ne激光投射于受試光學兀件中表面一點，該點記為激光福照點A ； 第二步、采用表面記錄相機和功能記錄相機聚焦于成像點A,調整表面記錄相機的鏡頭焦距使其對激光輻照點A處的表面成像；同時設置第一補光光源和第二補光光源投射光線至激光輻照點A，分別對表面記錄相機和功能記錄相機的成像進行補光； 所述第一補光光源的投射光線經激光輻照點A反射至表面記錄相機中；所述第二補光光源的投射光線經激光輻照點A反射至功能記錄相機中，在第二補光光源與光學元件之間的光路上設置分辨率板； 移動分辨率板的位置，并調節功能記錄相機的焦距，使其對經A點反射的分辨率板成像； 第三步、關閉He-Ne激光，打開輻照激光，采用表面記錄相機對光學元件表面激光輻照點A處的表面圖像進行記錄，采用功能記錄相機對經激光輻照點A反射的分辨率板圖像進行記錄； 第四步、激光輻照結束后，利用表面記錄相機所采集的各幀表面圖像與標準表面圖像進行對比，根據各幀表面圖像與標準表面圖像之間的表面形貌變化，分析在不同的激光輻照時間下，受試光學元件的形貌損傷程度； 所述標準表面圖像為在無輻照激光和He-Ne激光入射的情況下，表面記錄相機所采集的A點的表面圖像； 利用功能記錄相機采集各幀分辨率板圖像，與標準分辨率板圖像進行對比，根據各幀分辨率板圖像和標準分辨率板圖像間相對位置點以及圖形畸變，計算得出其激光輻照過程中圖像的位置點的相對偏移量或者灰度變化，并對圖形畸變情況進行分析，從而獲得受試光學元件的功能在激光照射下的損傷過程以及損傷程度； 所述標準分辨率板圖像為在無輻照激光和He-Ne激光入射的情況下，功能記錄相機所采集的經A點反射后的分辨率板圖像。
2.如權利要求1所述的一種激光損傷光學元件過程的記錄方法，其特征在于，若所述輻照激光為脈沖體制激光，則設置所述表面記錄相機和功能記錄相機的幀頻均與激光脈沖的頻率相同；若所述輻照激光為連續或者準連續激光，則設置所述表面記錄相機和功能記錄相機的幀頻相同。
3.如權利要求2所述的一種激光損傷光學元件過程的記錄方法，其特征在于，設置表面記錄相機和功能記錄相機的幀頻時，采用同步控制；所述表面記錄相機和功能記錄相機均設置外部觸發端口，該外部觸發端口連接同步控制器；所述同步控制器的功能為:當輻照激光為脈沖體制激光時，以輻照激光的每一個脈沖觸發同步控制器，當輻照激光為連續或者準連續激光時，以設定的的頻率觸發同步控制器，同步控制器在被觸發后，通過外部觸發端口同時觸發表面記錄相機和功能記錄相機進行一幀圖像的采集。
4.一種激光損傷光學元件過程的記錄裝置，其特征在于，該裝置包括輻照激光發射儀、He-Ne激光發射儀、第一補光光源、第二補光光源、表面記錄相機、功能記錄相機以及分辨率板； 所述輻照激光發射儀用于將輻照激光投射于受試光學元件表面一點，即激光輻照點A ； 所述He-Ne激光發射儀用于將與輻照激光同軸的He-Ne激光投射于受試光學元件中的激光輻照點A ； 所述第一補光光源用于投射第一光線至A點； 所述第二補光光源用于投射第二光線至A點；其中第二補光光源與A點之間的光路上設置分辨率板； 所述表面記錄相機聚焦于A點，且位于A點對第一光線的反射光路上； 所述功能記錄相機聚焦于經A點反射后的分辨率板成像，且位于A點對第二光線的反射光路上。
5.如權利要求4所述的一種激光損傷光學元件過程的記錄裝置，其特征在于，該裝置還包括同步控制器，所述表面記錄相機和功能記錄相機均設置外部觸發端口，該外部觸發端口連接同步控制器； 所述同步控制的功能為:當所述輻照激光為脈沖體制激光時，以激光的每一個脈沖觸發同步控制器，當所述輻照激光為連續或者準連續激光時，以設定的頻率觸發同步控制器，同步控制器在被觸發后，通過外部觸發端口同時觸發表面記錄相機和功能記錄相機對A點進行一幀圖像 的采集。
【文檔編號】G01B11/24GK104048813SQ201410228431
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】劉陽, 王畢藝, 于彥明 申請人:中國人民解放軍總參謀部第五十四研究所
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