一种光学元件激光损伤测试设备及方法与流程

1.本发明涉及光学元件激光损伤研究领域，尤其涉及一种光学元件激光损伤测试设备及方法。


背景技术：

2.高功率固体激光装置需要使用大量光学元件，在高功率激光辐照下，这些光学元件(特别是用于真空密封的大口径透镜或窗口)的表面极易发生激光损伤。在光学元件投入使用前，往往需要对其进行激光损伤测试，以此来确定光学元件的损伤阈值和损伤增长阈值。
3.在高功率固体激光装置中，用于真空密封的大口径透镜或窗口起到隔绝大气和真空环境的作用。也正因为如此，这类光学元件两侧存在压差，会给光学元件的真空后表面引入约数兆帕左右的应力，且该应力会对光学元件的抗损伤性能造成影响。
4.现有的激光损伤测试装置没有模拟光学元件在使用过程中受到应力作用的情况，未能考虑应力对光学元件的抗损伤性能的影响，测试结果与光学元件在实际工作情况下的损伤阈值以及损伤增长阈值之间存在偏差。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种光学元件激光损伤测试设备。
6.本发明提供如下技术方案：
7.一种光学元件激光损伤测试设备，包括施力装置、测量装置、计算模块和损伤测试装置；
8.所述施力装置用于向待测样品施加应力，以使所述待测样品均匀地变形；
9.所述测量装置用于测量所述待测样品的最大形变量；
10.所述计算模块用于根据所述最大形变量计算出所述待测样品上的最大应力；
11.所述损伤测试装置用于测试所述待测样品在所述最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值。
12.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，所述待测样品呈板状设置；
13.所述施力装置包括底座、转轴和顶进机构；
14.所述转轴沿第一方向设置，所述转轴与所述底座转动连接，所述转轴成对设置在所述待测样品的两侧，所述转轴上设有卡持部和转动臂，两个所述卡持部分别卡持所述待测样品的两侧边；
15.所述顶进机构设置在所述底座上，所述顶进机构用于同时顶进两个所述转动臂，以使两个所述转轴沿相反的方向转过相同的角度。
16.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，所述顶进机构包括
调节螺母和调节螺丝，所述调节螺母固定设置在所述底座上，所述调节螺丝沿所述待测样品的厚度方向设置，所述调节螺丝与所述调节螺母螺纹配合，所述调节螺丝同时与两个所述转动臂相抵。
17.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，所述底座上设有推板，所述推板沿所述调节螺丝的长度方向滑动设置在所述底座上，所述调节螺丝通过所述推板同时与两个所述转动臂相抵。
18.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，所述推板上成对设有滚轮，所述推板通过两个所述滚轮分别与两个所述转动臂相抵，所述滚轮与所述推板转动连接，且所述滚轮的旋转轴心沿所述第一方向。
19.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，所述测量装置包括扫描平台和测距传感器；
20.所述测距传感器设置在所述扫描平台上，所述测距传感器用于测量自身与所述待测样品的距离；
21.所述扫描平台用于带动所述测距传感器移动，并使所述测距传感器至少经过所述待测样品的最小变形区域和最大变形区域。
22.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，所述扫描平台上设有粗调平台，所述测距传感器设置在所述粗调平台上，所述粗调平台用于使所述测距传感器与所述待测样品的中部对齐。
23.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，所述扫描平台上设有精调平台，所述测距传感器设置在所述精调平台上，所述精调平台用于调整所述测距传感器与所述待测样品的距离，以使所述待测样品位于所述测距传感器的测量距离内。
24.作为对所述光学元件激光损伤测试设备的进一步可选的方案，还包括定位板，所述施力装置和所述测量装置均固定于所述定位板上。
25.本发明的另一目的是提供一种光学元件激光损伤测试方法。
26.本发明提供如下技术方案：
27.一种光学元件激光损伤测试方法，包括：
28.向待测样品施加应力，使待测样品均匀地变形并保持；
29.测量所述待测样品的最大形变量；
30.根据所述最大形变量计算出所述待测样品上的最大应力；
31.测试所述待测样品在所述最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值。
32.本发明的实施例具有如下有益效果：
33.通过施力装置向待测样品施加应力，使待测样品均匀地变形后，待测样品表面产生应力均匀分布的区域。测量装置由此能够方便、准确地测量出待测样品的最大形变量，进而由计算模块定量计算出待测样品上的最大应力，并在此基础上有损伤测试装置开展损伤测试实验，测试出待测样品在该最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值。调整应力的大小进行多次测试，即可模拟光学元件在使用过程中受到应力作用的情况，保证测试结果的精确性和有效性。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1示出了本发明实施例1提供的一种光学元件激光损伤测试设备的整体结构示意图；
37.图2示出了本发明实施例1提供的一种光学元件激光损伤测试设备中施力装置的结构示意图；
38.图3示出了本发明实施例1提供的一种光学元件激光损伤测试设备中顶进机构的结构示意图；
39.图4示出了本发明实施例1提供的一种光学元件激光损伤测试设备中测量装置的结构示意图；
40.图5示出了本发明实施例2提供的一种光学元件激光损伤测试方法的步骤流程图；
41.图6示出了本发明实施例2提供的一种光学元件激光损伤测试方法中待测样品上应力仿真示意图；
42.图7示出了本发明实施例2提供的一种光学元件激光损伤测试方法中待测样品的最大形变量与最大应力之间的关系示意图；
43.图8示出了本发明实施例2提供的一种光学元件激光损伤测试方法中辐射通量与待测样品在三种应力下的损伤概率之间的关系示意图。
44.主要元件符号说明：
45.100-施力装置；110-底座；111-立柱；112-滑轨；113-滑块；120-转轴；121-卡持部；122-转动臂；130-顶进机构；131-推板；131a-深沟球轴承；131b-凸起；132-调节螺母；132a-定位螺钉；133-调节螺丝；200-测量装置；210-扫描平台；220-精调平台；230-粗调平台；231-安装板；240-测距传感器；300-定位板；400-待测样品。
具体实施方式
46.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
47.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
48.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
50.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
51.实施例1
52.请参阅图1，本实施例提供一种光学元件激光损伤测试设备，用于研究应力对光学元件损伤性能的影响，测量光学元件在不同应力状态下的损伤阈值和损伤增长阈值。
53.以大口径透镜或窗口为例，这类光学元件在高功率固体激光装置中起到隔绝大气和真空环境的作用，存在应力，而这类光学元件一般为熔石英材质。因此，在本实施例中，用于激光损伤测试的待测样品400采用长方体状的熔石英板。
54.特别地，以待测样品400为参考基准：记待测样品400的宽度方向为第一方向，图中以z方向示意；记待测样品400的厚度方向为第二方向，图中以y方向示意；记待测样品400的长度方向为第三方向，图中以x方向示意。此外，施加于待测样品400的应力沿第二方向。
55.光学元件激光损伤测试设备由施力装置100、测量装置200、计算模块和损伤测试装置组成，先由施力装置100向待测样品400施加应力，使待测样品400均匀地变形，然后由测量装置200测量待测样品400的最大形变量，再由计算模块计算出待测样品400上的最大应力，最后由损伤测试装置测试待测样品400在该最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值。
56.请参阅图2，具体地，施力装置100由底座110、转轴120和顶进机构130组成，施力装置100向待测样品400施加应力，使待测样品400在第一方向上均匀地变形，从而使待测样品400表面产生应力均匀分布的区域。
57.特别地，使待测样品400在第一方向上均匀地变形是指：对于待测样品400上任意位置的两个点，只要其所在的直线与第一方向平行，那么这两个点的形变量相同。
58.相应地，在待测样品400表面产生的应力均匀分布的区域沿第一方向延伸。
59.具体地，底座110沿水平方向设置，并与第一方向垂直，底座110位于待测样品400的下方。
60.此外，底座110上成对设置有立柱111。立柱111沿第一方向设置，立柱111的底端与底座110栓接固定，两个立柱111分别位于待测样品400沿第三方向的两侧。
61.具体地，转轴120设有两个，两个转轴120均沿第一方向设置，并与两个立柱111分别对应。立柱111上沿第三方向开设有通槽，转轴120位于对应立柱111的通槽内，与立柱111转动连接。此外，两个转轴120上均设有卡持部121和转动臂122。
62.卡持部121沿第一方向设置，卡持部121栓接固定在转轴120的侧面，卡持部121背向转轴120的一侧开设有卡槽。待测样品400的两侧边分别嵌于两个卡持部121上的卡槽内，被卡持部121所卡持。
63.转动臂122在初始状态下沿第三方向设置，转动臂122的一端与转轴120栓接固定，
且转动臂122位于待测样品400与底座110之间。
64.上述两组立柱111、转轴120、卡持部121和转动臂122关于待测样品400沿第三方向的中点对称设置。使用时，顶进机构130沿第二方向同时顶进两个转动臂122，带动两个转轴120沿相反的方向转过相同的角度，从而使待测样品400均匀地变形。沿第三方向上，待测样品400中部的形变量最大，且待测样品400的形变量自中部向两侧逐渐减小。
65.请参阅图3，具体地，顶进机构130由推板131、调节螺母132和调节螺丝133组成。
66.推板131通过滑块113和滑轨112与底座110相连，沿第二方向滑动设置在底座110上。推板131同时与两个转动臂122抵接，且推板131与两个转动臂122的接触点关于待测样品400沿第三方向的中点对称。
67.调节螺母132栓接固定在底座110上，且调节螺母132位于推板131背向转动臂122的一侧。
68.调节螺丝133沿第二方向设置，调节螺丝133穿设于调节螺母132上，并与调节螺母132螺纹配合。此外，调节螺丝133与推板131背向转动臂122的一侧相抵，进而通过推板131同时与两个转动臂122相抵。
69.使用时，测试人员旋拧调节螺丝133，调节螺丝133沿第二方向朝向待测样品400移动，并通过推板131顶进两个转动臂122，进而带动两个转轴120沿相反的方向转过相同的角度。
70.进一步地，推板131朝向转动臂122的一侧成对设有深沟球轴承131a，深沟球轴承131a的外圈作为滚轮使用。两个滚轮的旋转轴120心沿第一方向，两个滚轮与两个转动臂122分别对应，推板131通过两个滚轮分别与两个转动臂122相抵。
71.设置滚轮后，能够有效地减小推板131与转动臂122之间的摩擦力，使推板131和转动臂122不易磨损。
72.进一步地，推板131朝向调节螺丝133的一侧设有半球状的凸起131b。凸起131b的顶端与调节螺丝133端面的中心抵接，避免调节螺丝133端面的边沿与推板131接触，进而避免调节螺丝133在转动过程中将推板131划伤。
73.进一步地，调节螺母132上还穿设有定位螺钉132a。定位螺钉132a与调节螺丝133平行，定位螺钉132a与调节螺母132螺纹配合，且定位螺钉132a与滑块113相抵。
74.在旋拧调节螺丝133以顶进转动臂122之前，测试人员先旋拧定位螺钉132a，推动滑块113和推板131移动至恰与转动臂122接触。此时，待测样品400的应力为0，并将该位置作为推板131的初始位置。
75.请参阅图4，具体地，测量装置200由扫描平台210、精调平台220、粗调平台230和测距传感器240组成，且扫描平台210、精调平台220、粗调平台230和测距传感器240依次连接。
76.其中，扫描平台210为电动平台，带动测距传感器240沿第三方向移动。精调平台220为手动平台，且精调平台220栓接固定在扫描平台210的上表面，带动测距传感器240沿第二方向移动。粗调平台230为手动平台，且粗调平台230栓接固定在精调平台220的上表面，带动测距传感器240沿第一方向移动。此外，粗调平台230的侧面栓接固定有安装板231，测距传感器240栓接固定在安装板231上，与待测样品400相对。
77.使用时，测试人员先将扫描平台210移动到待测样品400背向顶进机构130的一侧，然后控制粗调平台230，使精调平台220和测距传感器240沿第一方向移动，直至测距传感器
240的测量点与待测样品400沿第一方向的中部对齐，再控制精调平台220，调整测距传感器240与待测样品400的距离，使待测样品400位于测距传感器240的测量距离内。最后，扫描平台210带动粗调平台230、精调平台220和测距传感器240沿第三方向移动，使测距传感器240自待测样品400的一侧边移动至另一侧边。
78.在移动过程中，测距传感器240每隔1-2mm取样一次，测量自身与待测样品400的距离。如前所述，沿第三方向上，待测样品400中部的形变量最大，且待测样品400的形变量自中部向两侧逐渐减小，故测距传感器240与待测样品400中部的距离最小，与待测样品400侧边的距离最大。取这两个距离的差值，即可得出待测样品400的最大形变量。
79.在本实施例中，扫描平台210、粗调平台230和精调平台220均采用丝杆-丝母座结构。区别在于，扫描平台210中的丝杆接有伺服电机，粗调平台230和精调平台220中的丝杆则接有手柄。此外，测距传感器240采用激光位移传感器。
80.请再次参阅图1，进一步地，施力装置100和测量装置200均栓接固定在一块定位板300上。定位板300上阵列设置有安装孔，利用这些安装孔对施力装置100和测量装置200进行校准，确保扫描平台210(参阅图3)的移动方向与待测样品400的长度方向平行。
81.具体地，计算模块为处理器，其与测距传感器240通讯连接。处理器根据测距传感器240所测得的最大形变量，通过有限元软件进行仿真模拟，从而计算中待测样品400沿第三方向的中部的应力大小，即待测样品400上的最大应力。
82.在本实施例中，有限元软件为ansys，sdrc/i-deas等。
83.具体地，损伤测试装置采用现有的结构。利用损伤测试装置对待测样品400的损伤阈值和损伤增长阈值进行测试时，施力装置100和待测样品400整体转移至损伤测试装置中，损伤测试装置对待测样品400沿第三方向的中心区域开展损伤测试，得到在最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值。
84.总之，上述光学元件激光损伤测试设备工作时，先通过施力装置100向待测样品400施加应力，使待测样品400均匀地变形，进而使待测样品400表面产生应力均匀分布的区域。测量装置200由此能够方便、准确地测量出待测样品400的最大形变量，进而由计算模块定量计算出待测样品400上的最大应力，并在此基础上有损伤测试装置开展损伤测试实验，测试出待测样品400在该最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值。调整应力的大小进行多次测试，即可模拟光学元件在使用过程中受到应力作用的情况，保证测试结果的精确性和有效性。
85.实施例2
86.请参阅图5，本实施例提供一种光学元件激光损伤测试方法，用于研究应力对光学元件损伤性能的影响，测量光学元件在不同应力状态下的损伤阈值和损伤增长阈值，其包括以下步骤：
87.s1，向待测样品400施加应力，使待测样品400均匀地变形并保持。
88.其中，使待测样品400均匀变形的目的在于使待测样品400表面产生应力均匀分布的区域。
89.s2，测量待测样品400的最大形变量。
90.待测样品400表面产生应力均匀分布的区域后，只需设置简单的扫描路径，即可确保待测样品400上的最小变形区域和最大变形区域均被测量，从而方便、准确地测量出待测
样品400的最大形变量。
91.s3，根据最大形变量计算出待测样品400上的最大应力。
92.请结合图6和图7，由于待测样品400均匀变形，故在利用有限元软件仿真计算待测样品400上的应力时，只需根据待测样品400的长度、宽度、厚度、最大形变量、受力点、材质等信息设置少量参数条件，即可最大程度地模拟出待测样品400的实际受力状态，从而保证应力计算结果具有足够高的精度。
93.s4，测试待测样品400在最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值。
94.同样地，由于待测样品400均匀变形，故在测试待测样品400在最大应力下的损伤阈值和损伤增长阈值时，能够快速准确地确定待测样品400的最大变形区域，确保测试结果与最大应力相匹配。
95.请结合图8，当激光的辐射通量超过第一阈值时，待测样品即具有一定的损伤概率。随着激光辐射通量的进一步提升，待测样品的损伤概率也不断增加。当激光的辐射通量超过第二阈值时，待测样品必定会损伤。图中，一号待测样品400上的应力为20mpa，二号待测样品400上的应力为35mpa，三号待测样品400上的应力为0mpa。
96.在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
97.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
98.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。