專利名稱：一種同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法
技術領域：
本發明涉及一種對光學元件參數的測量方法，特別是吸收損耗和表面熱變形量的同時測量方法。
背景技術：
在高功率激光技術及其應用中，光學元件的吸收損耗及由此引起的表面熱變形是光學元件重要的技術參數。吸收損耗直接決定了光學元件損傷閾值的大小，限制了激光器和激光系統所能承受的激光功率、激光能量，而吸收引起的光學元件表面熱變形會導致激光束的光束質量變差，限制了高功率激光技術的應用領域。因此，要發展低吸收損耗、低熱畸變(表面熱變形)的高功率激光光學元件，首先必須要有能準確測量低吸收損耗和低熱變形量的技術手段。
目前測量光學元件吸收損耗的國家標準是激光量熱法(ISO115512003(E)-Test method for absorptance of optical laser components)，其優點是能直接測量吸收損耗絕對值(不需要定標)，測量靈敏度高(優于10-6-李斌成，熊勝明，H.Blaschke，等；激光量熱法測量光學薄膜微弱吸收，《中國激光》33823(2006))，且裝置簡單，調節方便。缺點是光照射時間長，時間分辨率低，所測量結果僅反映光照射時間內光學元件吸收損耗的平均值。表面熱變形量的常用測量方法有哈特曼波前傳感測量法和激光干涉測量法。兩種測量方法的靈敏度都不高。表面熱透鏡技術也可用于表面熱變形量的絕對測量(B.Li，S.Martin，and E.Welsch，Pulsed top-hat beam thermal lensmeasurement on ultraviolet dielectric coatings，Opt.Lett.24，1398(1999)；B.Liand E.Welsch，Probe beam diffraction in pulsed top-hat beam thermal lens withmode-mismatched configuration，Appl.Opt.38，5241(1999))，且通過周期性調制結合鎖相探測或多次平均，測量靈敏度比波前傳感和激光干涉技術高。目前還沒有能同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的技術和方法報道。
發明內容
本發明的目的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種能同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，并可用于監測在激光束照射下光學元件吸收損耗的實時變化和光學性能穩定性。
本發明的技術解決方案同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特點在于步驟如下(1)將一聚焦的高功率激光束(加熱激光束，功率瓦級及以上)照射到一放置在絕熱樣品室內的光學元件表面中心位置附近，光學元件因吸收激光束能量導致溫度上升，同時光學元件因熱膨脹產生表面熱變形。用一高靈敏溫度測量元件直接接觸光學元件表面測量其溫度變化，得到加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后(冷卻過程)光學元件的溫度變化信號ΔT(t)；同時使用一低功率的連續激光束(探測激光束，功率毫瓦級或更低)入射到光學元件被加熱激光束照射的相同表面區域，用一小孔光闌和光電探測器組合測量從光學元件表面反射的探測激光束的中心光強變化ΔI(t)，得到加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化ΔI(t)對應的電流或電壓信號ΔV(t)；(2)記錄加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后(冷卻過程)光學元件的溫度變化信號波形ΔT(t)，通過數據處理得到光學元件的吸收損耗絕對值；(3)記錄加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化對應的電流或電壓信號(稱為表面熱透鏡信號)的振幅A(t)和/或相位(t)，通過數據處理得到光學元件的表面熱變形量，以及其隨時間的實時變化情況，由此得到光學元件吸收損耗的實時變化情況。
所述步驟(2)中的吸收損耗絕對值通過擬合加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后光學元件的溫度變化曲線ΔT(t)得到。
所述步驟(1)中加熱激光束和探測激光束的中心位置在被測樣品表面重合，并且在樣品表面位置探測激光束的光斑尺寸是加熱激光束的2倍以上。
所述步驟(1)中小孔光闌和光電探測器組合的小孔光闌位于探測器探測面之前，且小孔光闌的口徑小于加熱激光束在樣品表面位置的光斑尺寸。
所述步驟(1)中探測激光束相對于樣品表面的入射角范圍為0-60度，并且在垂直入射時使用偏振分光技術分離入射和原光路反射的探測光束。
所述步驟(1)中的加熱激光束強度的調制采用光學斬波器調制，或者采用聲光調制器調制，調制頻率范圍10Hz-10kHz。
本發明的原理是首先參考國際標準ISO11551建立激光量熱裝置，基于激光量熱技術測量被測光學元件的吸收損耗。然后在激光量熱測量技術和裝置基礎上，引入表面熱透鏡測量技術。相關具體步驟為將未聚焦的探測激光束與加熱激光束共軸或傍軸地入射到被測光學元件的加熱表面，兩激光光束中心在光學元件被照射表面重合。使用光電探測器測量從光學元件被照射表面反射的探測激光束中心光強的變化。用光學斬波器或聲光調制器對加熱激光光束的強度進行周期性調制，用鎖相放大器測量探測光束中心光強的周期性變化ΔI(t)，并用數字電壓表或示波器測量中心光強的直流信號I(t)，從而得到表面熱透鏡信號S(t)＝ΔI(t)/I(t)。再利用表面熱透鏡信號的幅值A(t)推導出表面熱變形量大小，利用表面熱透鏡信號幅值A(t)和相位(t)的實時變化監測光學元件吸收損耗的實時變化和光學元件的性能穩定性。
本發明與現有技術相比具有如下優點(1)可同時測量光學元件的吸收損耗和表面熱變形量，并可監測光學元件在激光照射下光學性能的穩定性，一機多用，節約了成本；(2)可監測激光量熱技術測量光學元件吸收損耗過程中光學元件吸收損耗的動態變化過程，有利于提高吸收損耗的測量精度；
(3)測量表面熱變形量的靈敏度更高。
圖1為本發明的測量裝置結構示意圖；具體實施方式
如圖1所示，本發明采用的測量裝置由加熱激光光源1、光學斬波器或聲光調制器2、聚焦透鏡3、電動光學快門4、激光功率計5、探測激光光源6、反射鏡7、絕熱樣品室8、被測樣品夾具及被測樣品9，參考樣品夾具及參考樣品10，靈敏溫度探測單元11，橋式放大電路12，光電探測器13，小孔光闌14，A/D轉換器15，數字電壓表或示波器16，鎖相放大器17，計算機18，反射鏡19和光吸收體20組成；加熱激光光源1的輸出光束經斬波器或聲光調制器2光強調制后由透鏡3聚焦到放置在絕熱樣品室8內的被測光學元件9表面。加熱激光束的功率由電動光學快門4反射到激光功率計5測量。透過和從被測光學元件反射的加熱激光束經反射鏡19轉向后由光吸收體20吸收。光學元件因吸收加熱激光束能量而溫度上升，同時表面因熱膨脹產生變形。光學元件的溫度上升由高靈敏溫度探測單元11測量，并通過另一溫度探測單元同時測量參考光學元件10的溫度和使用橋式放大電路12消除環境溫度漂移影響。消除了環境溫度漂移影響的溫度信號ΔT(t)經A/D轉換器15模數轉換后送入計算機18數據處理，得到被測光學元件的吸收損耗絕對值。另外，表面熱變形由表面熱透鏡技術測量，從探測激光光源6輸出的光束經反射鏡7轉向后入射到被測光學元件表面被加熱激光束照射的相同區域，從該表面反射的探測激光束經反射鏡轉向后，光斑中心部分光束穿過小孔光闌14后由光電探測器13探測，被測光學元件因熱膨脹產生的表面熱變形導致反射探測激光束中心光強降低，通過光電探測器探測中心光強的直流量I(t)(由數字電壓表或示波器16讀出)及其交流變化量ΔI(t)(由鎖相放大器17讀出)，得到表面熱透鏡信號S(t)的振幅A(t)和相位(t)，再經過計算機18數據處理即可得到被測光學元件表面熱變形量大小。表面熱透鏡信號振幅和相位的實時變化則反映了被測光學元件吸收損耗的實時變化及光學性能穩定性。
激光量熱技術通過測量光學元件因吸收照射激光束能量而產生的溫度上升來確定光學元件的吸收大小。國際標準ISO11551中規定，測量過程應包括照射前(至少30秒)、照射(5至300秒)和冷卻(至少200秒)三個過程。照射和冷卻過程中被測樣品的溫度變化分別為ΔT(t)＝A{1-exp[-γ(t-t1)]}，(t1≤t≤t2)(1)ΔT(t)＝ΔT(t2)+B{1-exp[-γ(t-t2)]}，(t≥t2)(2)其中Ceff、α、P、γ分別是樣品及樣品夾具的有效熱容量、樣品吸光度、照射激光束功率和熱損失系數，t1和t2分別是激光束照射開始和結束時的時間，A，B為實驗參數。通過(1)、(2)式擬合測量溫度曲線得到A、B和γ，從而得到被測樣品的絕對吸光度α=fcγCeffAP.---(3)]]>(3)式中的功率P由激光功率計測量，fc為實驗定標因子，通過測量已知吸收值的標準樣品確定。
在表面熱透鏡技術中，表面熱透鏡信號反映了從被測光學元件表面反射的探測激光束中心光強度的變化。當加熱激光束和探測激光束的中心位置在被測樣品表面重合，并且在樣品表面位置探測激光束的光斑尺寸是加熱激光束的2倍以上時，表面熱透鏡信號可表示為S(t)=A(t)exp(iφ(t))=ΔI(t)I(t)≈C·4πγ·Δhmax∝αP---(4)]]>(4)式中Δhmax為最大表面熱變形量，λ為探測激光束波長，C為與被測光學元件熱物理特性和實驗參數(調制頻率、探測距離、加熱激光束光斑尺寸等)有關的系數，可通過實驗或理論推導得到，通過測量表面熱透鏡信號振幅A(t)，即可得到表面熱變形量大小。而由于表面熱透鏡信號振幅A(t)與被測光學元件的吸收損耗成正比，通過監測表面熱透鏡信號振幅A(t)的實時變化，就可以得到激光束照射時吸收損耗的實時變化。
在表面熱透鏡技術的具體實施過程中，為了提高測量靈敏度，對加熱激光束功率進行了周期性調制。通過合理選擇調制頻率來提高熱透鏡信號的信噪比，通常合理的調制頻率范圍在10Hz-10kHz。
權利要求
1.一種同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于(1)將一聚焦的高功率激光束，即加熱激光光束照射到一放置在絕熱樣品室內的光學元件表面中心位置附近，光學元件因吸收激光束能量導致溫度上升，同時光學元件因熱膨脹產生表面熱變形，用一高靈敏溫度測量元件直接接觸光學元件表面測量其溫度變化，得到加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后，即冷卻過程光學元件的溫度變化信號ΔT(t)；同時使用一低功率的連續激光束，即探測激光光束入射到光學元件被加熱激光束照射的相同表面區域，用一小孔光闌和光電探測器組合測量從光學元件表面反射的探測激光束的中心光強變化ΔI(t)，得到加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化ΔI(t)對應的電流或電壓信號ΔV(t)；(2)記錄加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后，即冷卻過程光學元件的溫度變化信號波形ΔT(t)，通過數據處理得到光學元件的吸收損耗絕對值；(3)記錄加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化對應的電流或電壓信號，稱為表面熱透鏡信號的振幅A(t)和/或相位(t)，通過數據處理得到光學元件的表面熱變形量，以及其隨時間的實時變化情況，由此得到光學元件吸收損耗的實時變化情況。
2.根據權利要求1所述的同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述步驟(2)中的數據處理為通過擬合加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后，即冷卻過程光學元件的溫度變化曲線ΔT(t)得到吸收損耗絕對值。
3.根據權利要求1所述的同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述的加熱激光束和探測激光束的中心位置在被測樣品表面重合，并且在樣品表面位置探測激光束的光斑尺寸是加熱激光束的2倍以上。
4.根據權利要求1所述的同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述的小孔光闌和光電探測器組合中的小孔光闌位于探測器探測面之前，且小孔光闌的口徑小于加熱激光束在樣品表面位置的光斑尺寸。
5.根據權利要求1所述的同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述的探測激光束相對于樣品表面的入射角范圍為0-60度，并且在垂直入射時使用偏振分光技術分離入射和原光路反射的探測光束。
6.根據權利要求1所述的同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述加熱激光束強度的調制采用光學斬波器調制，或者采用聲光調制器調制，調制頻率范圍10Hz-10kHz。
全文摘要
一種同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于采用激光量熱和表面熱透鏡聯合技術同時測量光學元件的吸收損耗絕對值和表面熱變形量，并可監視激光照射過程中光學元件吸收損耗的實時變化。本方法通過測量加熱激光束照射過程中光學元件的溫度變化得到其吸收損耗值，并通過測量光學元件因吸收加熱激光束能量產生的表面熱變形導致的探測激光束中心光強變化幅值得到表面熱變形量，通過監測探測光束中心光強的實時變化監視吸收損耗的實時變化及光學元件性能的穩定性。
文檔編號G01M11/02GK1971233SQ20061016508
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月13日 優先權日2006年12月13日
發明者李斌成 申請人:中國科學院光電技術研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
