专利名称：大口径光学元件光学特性的快速检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光热检测领域，具体是ー种利用能量回收镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用从而大幅度提高大ロ径光学元件光学特性检测速度的装置。
背景技术：
大口径光学元件是各类大型激光系统中不可缺少的关键元件。其光学特性是否能够满足设计要求常常是相关大型激光系统能否成功运行的关键。大口径光学元件，特别是用于强激光系统的大口径光学元件，通常对其光学吸收特性要求较高，一方面要求平均吸收较小，另ー方面希望吸收特性比较均匀，尽量減少局部较大吸收缺陷的存在，以免产生局部激光破坏或者局部激光光束质量的下降。然而大口径光学元件吸收特性的精密測量目前并没有特别有效的方法，特别是当大口径光学元件吸收比较微弱，而同时又需要获得该吸 收的空间分布特性的时候。对于光学元件，特别是用于强激光系统的微弱吸收光学元件，其吸收特性的常用測量方法包括激光量热法以及其他各类光热測量方法，如基于光热表面变形的光热偏转法、表面热透镜法；基于光热折射率的光热偏转法、热透镜法等。这些方法都具有灵敏度很高(吸收率测量灵敏度可达10_7-10_8量级)、空间分辨率较高(可以比较容易的达到微米甚至亚微米量级横向空间分辨率)、非接触式測量等特点。以表面热透镜技术为例，其基本原理是材料在泵浦光作用下表面因吸收光能量引起局部温度升高，从而产生热形变。热形变的空间分布及其随时间的变化与泵浦光參数和材料特性紧密相关。这种表面形变会引起反射光波前特性的变化，产生类似于透镜的会聚或发散效应，因而称之为表面热透镜效应。利用表面热透镜效应进行材料特性检测和分析的最常见方法是一束经过调制的泵浦光在被测样品表面诱导产生热形变，同时利用另一束探測光来探測表面热形变。在经过样品后的探測光路中的适当位置加入ー个空间滤波器，通过测量经过空间滤波器进入光探測器的探測光能量变化来获得表面热形变的信息，从而获得相应的材料的吸收等特性。这种测量方法中为获得较好的响应，一般需要利用锁相技木。而对样品特性的ニ维检测则需要通过对样品进行逐点扫描来获得。然而这种ニ维扫描方法应用于大口径光学元件时将会受到很大限制。主要原因是检测及成像速度太慢。一方面由于信号较弱，对姆ー个样品点都要进行一定时间的锁相积分；另一方面，样品每次移动都需要花费一定的移动和等待时间，以使整个系统从机械震动到局部温度都能达到新的平衡。把这种技术直接用于大口径光学元件測量，实际应用中基本是不可行的假设用这种方法測量一件(I米X I米)的激光反射镜微弱吸收及其空间分布，即使空间分辨率只要求500微米(即每500微米X 500微米取样一点)，那么把整个样品扫描完将需要556小时(假设每一点移动准备及积分测量时间累计只需500毫秒)，这在实际应用中是很不现实的。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供ー种大口径光学元件光学特性的快速检测装置，利用能量回收镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用，解决利用光热效应进行大口径光学元件吸收测量过程中因为耗时过长而不能满足实际使用要求的问题。本实用新型的技术方案为大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源、探測光源、光电探测器、设置于光电探测器前端的滤光片和空间滤波器，其特征在干所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置还包括有泵浦光能量回收反射镜，泵浦光束吸收装置，顺次设置于探測光源输出端后的探測光束整形装置和偏振分光镜，设置于偏振分光镜透射输出端后四 分之一波片；所述的空间滤波器阵列、滤光片和光电探测器阵列均设置于偏振分光镜反射输出端后。所述的探測光束整形装置选用探测光衍射分光装置或探測光光斑形状变换装置。所述的探測光源和探測光束整形装置之间设置有探測光光束整形及处理系统；所述的泵浦光源的后端设置有泵浦光光束整形及处理系统。所述的四分之一波片的输出端后和偏振分光镜反射输出端后均设置有探测光聚焦调整透镜。本实用新型的原理泵浦光束在经过光束整形及处理后入射到被测样品表面上的測量点1，该点泵浦光光功率为P1 ;被测样品为大口径高反射率反射镜，其反射率为も。在被测样品邻近区域放有一片与被测样品表面平行的泵浦光能量回收反射镜，其反射率为R2。泵浦光束经过测量点I后由被测样品反射，再经泵浦光能量回收反射镜反射后入射到被测样品表面上的測量点2，该点泵浦光光功率为P2。光功率为P2与光功率P1满足如下关系P2= (R1R2) P1⑴如此类推，測量点N的泵浦光光功率为PN，Pn与光功率P1满足如下关系Pn=(R1R2)ル1) Pi (2)假设泵浦光能量回收反射镜反射率为R2=99. 98%,下表I列出了在四种不同样品反射率R1的情况下在样品不同測量点(測量点I到測量点100)的泵浦光光功率相对于其第一个测量点泵浦光光功率之间的关系PnAV由表中可以看出，当も=99. 95%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=IOO处，其泵浦光光功率还有在測量点I处功率的93%，完全能够继续满足光热测量要求；当Ri=99. 5%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=IOO处，其泵浦光光功率还有在測量点I处功率的60%，也完全能够继续满足光热测量要求；当札=99%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=IOO处，其泵浦光光功率还有在测量点I处功率的36%，依然能够基本满足光热测量要求。也就是说对多数大口径高反射率光学元件，这种基于泵浦光能量回收原理的系统可以重复利用泵浦光能量100次以上。当も=98%时，在经过100次回收利用后，即在测量点N=IOO处，其泵浦光光功率只有在测量点I处功率的13%，已经偏低。但是在N=50处，其泵浦光光功率还有在测量点I处功率的37%，依然能够基本满足光热测量的要求。也就是说即使对も=98%这样的较低反射率大口径光学反射镜，这种基于泵浦光能量回收原理的系统也可以重复利用泵浦光能量50次以上。[0020]
测量点数 NIl IlO [20 [30 [40 150 160 170 丨80 ]90 IlOOPN/P1 (Rl=O. 9995) I. 00 O. 99 O. 99 O. 98 O. 97 O. 97 O. 96 O. 95 O. 95 O. 94 0.93 PN/P1 (Rl=O. 9950) I. 00 O. 95 O. 91 O. 86 O. 82 O. 77 O. 74 O. 70 O. 66 O. 63 O. 60 PN/P1 (Rl=O. 9900) I. 00 O. 91 O. 82 O. 74 O. 67 O. 61 O. 55 O. 49 O. 44 O. 40 O. 36 :
PN/P1 (Rl=O. 9800) ]l. 00 Jo. 83 [O. 68 [O. 55 ( . 45 10. 37 10. 30 10. 24]θ. 20 ]θ. 16 ]θ. 13表I.在四种不同样品反射率R1情况下的泵浦光光功率相对于其第一个测量点泵浦光光功率之间的关系ΡΝ/Ρ1。泵浦光(包括经过能量回收反射镜回收的部分)照射到样品表面上不同的位置(測 量点I到測量点N)，在每一点都会引起相应的表面热形变，这种热形变可以通过表面热透镜技术进行检測。利用表面热透镜技术进行检测时，探測光可以用具有N束光束的探測光束组，每一束探測光束对应ー个测量点；探測光也可以是一束线形或椭圆形探測光斑，探測光斑的长轴方向与N个测量点的排列方向相一致，并且与所有測量点重叠。本实用新型不管是利用衍射分光装置对探测光束进行多光束分光，还是利用柱面透镜使得探測光束具有线形或椭圆形光斑，最終光电探测器阵列获得的光热信号都需要利用并行处理电路来进行处理，并且进行锁相积分。本实用新型的优点由于能量回收利用次数可达100次以上，相关检测的速度在泵浦光功率不变的情况下可以得到相应倍数的提高。如前所述，用传统的光热测量方法測量一件(I米X I米)的激光反射镜微弱吸收及其空间分布，需要556小时；而使用基于本实用新型的測量方法及装置，在同样条件下可以把检测速度提高100倍(假设能量回收利用次数为Ν=100)，这样一来，整幅扫描测量同样的样品只需要5. 56个小时，变得切实可行。本实用新型也适用于中小型口径光学元件測量。在用于中小型口径光学元件吋，本实用新型可以在保持測量速度适当的情况下大幅度降低对泵浦光源的功率要求，从而大幅度降低相关测量系统的成本、体积和重量。
图I是本实用新型实施例I的结构示意图。图2是本实用新型实施例2的结构示意图。
具体实施方式
实施例I见图1，大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源1，设置于泵浦光源I后端的泵浦光光束整形及处理系统2，泵浦光能量回收反射镜3，泵浦光束吸收装置4，探測光源5，顺次设置于探测光源5输出端后的探測光光束整形及处理系统6、探测光衍射分光装置7和偏振分光镜8,设置于偏振分光镜8出射输出端后的四分之一波片9,设置于四分之一波片9和泵浦光能量回收反射镜3之间的第一探測光聚焦调整透镜10，顺次设置于偏振分光镜8出射输出端后的第二探測光聚焦调整透镜11、空间滤波器阵列12、滤光片13和光电探测器阵列14。见图1，大口径光学元件光学特性的快速检测方法，包括以下步骤[0032](I)、由泵浦光源I发出的泵浦光束经过泵浦光束整形及处理系统2 (内含泵浦光束振幅调制器)后变成光强被调制的、光束横向尺寸适度的泵浦光束；光束入射到被测样品15的表面,并在被测样品15表面的第一个测量点上产生光热效应,引起表面局部热形变；经被测样品15第一个测量点反射出的泵浦光又被泵浦光能量回收反射镜3反射到被测样品15上，在被测样品15表面上的第二个测量点也引起表面局部热形变；如此类推，泵浦光经能量回收反射镜后多次与被测样品表面相互作用，在被测样品表面的測量点I到測量点N都引起了表面局部热形变。被测样品表面上每个测量点的泵浦光光功率都大于最低光热测量的光功率值；(2)、由探測光源5发出的探測光束经过探測光光束整形及处理系统6后被探測光衍射分光装置7分为有N束光束组成的探測光束组；探測光束组经过偏振分光镜8，偏振分光镜8设置的状态为入射探測光束组为透射状态；经过偏振分光镜8的探測光束组透过四分之一波片9后，由第一探測光聚焦调整透镜10会聚，照射到被测样品上，并且与泵浦光束在被测样品15上产生的第I到第N个测量点重合，即探测光束组中每一束探測光束都对应于泵浦光束在被测样品表面上的一个测量点； (3)、由被测样品15反射出来的探測光束组再依次经过第一探測光聚焦调整透镜10和四分之一波片9，四分之一波片9设置的状态使得探測光束组第二次经过四分之一波片9后，其偏振态相比第一次经过四分之一波片9前旋转90度；第二次经过四分之一波片9的探測光束组由偏振分光镜8反射并经由第二探測光聚焦调整透镜11会聚、经过空间滤波器阵列12和滤光片13后进入光电探测器阵列14中。具体检测过程是经过调制的泵浦光束照射到被测样品15的表面，并通过泵浦光能量回收反射镜多次与被测样品15的表面相互作用，在被测样品15的表面的測量点I到測量点N都引起了表面局部热形变。这N个测量点的表面局部热形变将相应的引起经过该点的探測光束传播特性的变化，产生新增的会聚或发散效应。由于这种新增的会聚或发散效应，经过空间滤波器阵列12的探測光能量会发生相应的改变，由光电探测器阵列14测得。光电探测器阵列14的输出信号利用锁相检测技术进行测量。再根据探测光束的编号以及其对应的測量点，就可以获得空间分辨的測量信号分布。这种空间分布的測量信号经过适当定标处理后就可以转化成被测样品的空间分布的光吸收信息。实施例2见图2，大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源1，设置于泵浦光源I后端的泵浦光光束整形及处理系统2，泵浦光能量回收反射镜3，泵浦光束吸收装置4，探測光源5，顺次设置于探测光源5输出端后的探測光光束整形及处理系统6、探測光光斑形状变换装置7和偏振分光镜8，设置于偏振分光镜8出射输出端后的四分之一波片9，设置于四分之一波片9和泵浦光能量回收反射镜3之间的第一探測光聚焦调整透镜10，顺次设置于偏振分光镜8反射输出端后的第二探測光聚焦调整透镜11、空间滤波器阵列12、滤光片13和光电探测器阵列14。见图2，大口径光学元件光学特性的快速检测方法，包括以下步骤(I)、由泵浦光源I发出的泵浦光束经过泵浦光束整形及处理系统2 (内含泵浦光束振幅调制器)后变成光强被调制的、光束横向尺寸适度的泵浦光束；光束入射到被测样品15的表面,并在被测样品15表面的第一个测量点上光热效应,引起表面局部热形变；经被测样品15第一个测量点反射出的泵浦光又被泵浦光能量回收反射镜3反射到被测样品15上，在被测样品15表面上的第二个测量点也引起表面局部热形变；如此类推，泵浦光经能量回收反射镜后多次与被测样品表面相互作用，在被测样品表面的測量点I到測量点N都引起了表面局部热形变。被测样品表面上每个测量点的泵浦光光功率都大于最低光热测量的光功率值；(2)、由探測光源5发出的探測光束经过探測光光束整形及处理系统6后被探測光光斑形状变换装置7整形成一束线形或椭圆形探測光斑，探測光斑的长轴方向与N个测量点的排列方向相一致；探测光斑经过偏振分光镜8,偏振分光镜8设置的状态为探测光斑为透射状态；经过偏振分光镜8的探測光斑透过四分之一波片9后，由第一探測光聚焦调整透镜10会聚，照射到被测样品15上，并在被测样品表面所有的測量点位置与泵浦光束重叠；(3)、由被测样品15反射出来的探測光斑再依次经过第一探測光聚焦调整透镜10和四分之一波片9，四分之一波片9设置的状态使得探測光斑第二次经过四分之一波片9后，其偏振态相比第一次经过四分之一波片9前旋转90度；第二次经过四分之一波片9的探測光斑由偏振分光镜8反射并经由第二探測光聚焦调整透镜11会聚、经过空间滤波器阵 列12和滤光片13后进入光电探测器阵列14中。光电探测器阵列14的检测过程同实施例
Io线形或者椭圆型探測光光斑不是均匀的，因此其入射到每ー个探测器时其直流信号不同，在实际使用中必须以适当方式进行校正；线型或者椭圆型探測光光斑的不同区域分别覆盖在測量点I到N，这些点的信号在理论上是相互作用的，因此方法只适用于微弱吸收测量在測量点I到N每点信号都很弱的情况下，他们之间的相互作用作为ニ阶效应可以忽略。
权利要求1.大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源、探测光源、光电探测器、设置于光电探测器前端的滤光片和空间滤波器，其特征在于所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置还包括有泵浦光能量回收反射镜，泵浦光束吸收装置，顺次设置于探测光源输出端后的探测光束整形装置和偏振分光镜，设置于偏振分光镜透射输出端后四分之一波片；所述的空间滤波器阵列、滤光片和光电探测器阵列均设置于偏振分光镜反射输出端后。
2.根据权利要求I所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置，其特征在于所述的探测光束整形装置选用探测光衍射分光装置或探测光光斑形状变换装置。
3.根据权利要求I所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置，其特征在于所述的探测光源和探测光束整形装置之间设置有探测光光束整形及处理系统；所述的泵浦光源的后端设置有泵浦光光束整形及处理系统。
4.根据权利要求I所述的大口径光学元件光学特性的快速检测装置，其特征在于所述的四分之一波片的输出端后和偏振分光镜反射输出端后均设置有探测光聚焦调整透镜。
专利摘要本实用新型公开了一种大口径光学元件光学特性的快速检测装置，包括泵浦光源，泵浦光能量回收反射镜，泵浦光束吸收装置，探测光源，顺次设置于探测光源输出端后的探测光束整形装置和偏振分光镜、设置于偏振分光镜透射输出端后四分之一波片，顺次设置于偏振分光镜反射输出端后空间滤波器阵列、滤光片和光电探测器阵列。本实用新型利用泵浦光能量回收反射镜对被测样品反射出来的激光能量进行回收重复利用从而大幅度提高大口径光学元件光学特性检测速度，可以用于光热无损检测、光热精密测量、光学吸收光谱、光热成像与缺陷分析等多个领域，特别适用于对大口径激光反射镜微弱吸收特性的快速检测与成像。
文档编号G01M11/02GK202614507SQ20122028521
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者吴周令, 陈坚, 吴令奇 申请人:合肥知常光电科技有限公司