专利名称：一种光学元件吸收损耗测量的数据处理改进方法
技术领域：
本发明涉及光学元件测试领域，尤其是一种用于光学元件吸收损耗测量的激光量 热技术中数据处理的改进和优化方法。
背景技术：
在大型激光器及其应用系统中，使用了大量的薄膜光学元件，特别是反射光学元 件。由于薄膜吸收的存在，使得薄膜光学元件在使用时由于激光束照射引起内部温度上升， 导致光学元件表面热畸变，严重时会产生光学元件灾难性破坏。吸收损耗直接决定了光学 元件损伤阈值，限制了激光器和激光系统所能承载的功率或能量；同时由于吸收损耗引起 的光学元件表面热变形会导致激光光束质量变差，甚至整个系统崩溃。而准确测量光学元 件的吸收损耗是通过优化镀膜设计和工艺降低光学元件吸收损耗，提高光学元件性能的前 提。从国内外技术查新和文献检索的情况看，现有的光学元件吸收损耗测量方法有(1)激光量热方法激光量热技术是目前用于测量光学元件吸收损耗的国际标准(IS011551 2003 (E) -Test method for absorptance of optical laser components)，并且已被广泛 应用在从深紫外到红外波段光学元件的吸收损耗测试。其优点是能直接测量吸收损耗的绝 对值(不需要定标)，测量灵敏度高(优于10_6-李斌成，熊胜明，H.BlasChke，等；激光量热 法测量光学薄膜微弱吸收，中国激光33 823 (2006))，且装置简单，调节方便。缺点是响应 时间慢，光照时间长，所测结果反映的仅是光照时间内吸收损耗的平均值，时间分辨率低。(2)光热测量方法光热方法是测量光学薄膜元件吸收损耗的一种有效方法，与时域调制和锁相 测量技术结合时具有极高的测量灵敏度。例如R. Chow等人(R. Chow, J. R. Taylor, and Ζ.L.Zhou.Absorptance behavior of optical coatings for high-average-power laserapplication，Appl. Opt. 39,650-658(2000))利用热透镜技术测量了不同镀膜工艺下 样品最小3ppm的吸收损耗值。光热方法包括表面热透镜技术、光热偏转技术等。光热偏转 技术中要求探测光束直径小于激励光束，使得光路调节困难，而信号重复性对光路调节非 常敏感，因此在实际应用中测量重复性差、测量误差大。表面热透镜技术虽然保持了光热偏 转技术的高探测灵敏度，光路调节也较光热偏转技术简单的优点，但该方法需要对实验构 型进行详细优化。与激光量热法测量绝对吸收损耗相比，光热技术存在光热信号的绝对定 标困难和实验光路系统的调节困难等缺点。因此光热技术一般都是用来测量光学元件高分 辨率吸收成像。在目前测量光学元件吸收损耗的国际标准IS011551中，激光量热装置中 温度探测位置是根据文献 U. ffillamowski, D. Ristau, E. ffelsch, "Measuring the absoluteabsorptance of optical laser components”Appl. Opt. 37 :8362-8370 (1998)提 出的简化温度模型确定的。该模型忽略了待测光学元件轴向(也即深度ζ方向)温度梯度分布的影响。基于此温度模型的数值模拟得到了对于直径25mm的光学元件，采用均勻温度 模型进行拟合时最佳温度探测位置为距离光学元件中心(即加热激光束照射位置)7mm的 径向位置。由于忽略了轴向温度梯度分布，简化温度模型中的温升分布仅是径向位置r和 时间t的函数，不能明确7mm的位置是前表面(加热激光束照射的表面)或者后表面。并 且对于不同尺寸的光学元件，在现有激光量热装置中温度传感器都固定在7mm的径向位置 处。数值计算结果表明，对于热导率较小、非25mm直径大小的光学元件，将温度传感器固定 在7mm处会引入较大的吸收损耗测量误差。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有吸收损耗测量方法的不足，提供一种光学元件 吸收损耗测量的数据处理方法，以实现更精确测量光学元件吸收损耗的目的。本发明的技术解决方案的原理激光量热技术中提高光学元件吸收损耗测量准确 度的方法，一束连续的较高功率激光束(加热激光束，功率0.1W-100W)经透镜聚焦后近垂 直入射到一放置在绝热样品室内的待测光学元件表面中心附近位置，待测光学元件因吸收 加热激光束能量导致温度上升。用一种更为精确的理论温度模型来描述样品因受激光照 射所引起的温升分布ΔΤΟ·，z, t)。通过待测光学元件样品面上不同位置(即r坐标值) 温升的数值模拟，得到待测光学元件样品所对应的最佳温度探测位置。将一高灵敏温度测 量元件的测量位置调至此最佳温度探测位置，并直接接触待测光学元件表面测量其温度变 化；根据国际标准IS011551所规定的测量过程，记录待测光学元件由于吸收加热激光束能 量所引起的温度变化，包括激光照射前、照射过程、以及照射后(冷却过程)光学元件的温 度变化信号Δ T (t)，将实验所测量得到的温度信号AT(t)拟合到国际标准IS011551中所 描述的均勻温度模型所表示的加热激光束照射前、照射过程、以及照射后光学元件的理论 温度变化曲线Δ T (t)，得到待测光学元件的吸收损耗值。具体的实现步骤(1)连续的加热激光束经透镜聚焦后入射在待测光学元件表面，光学元件因吸收 入射激光束能量，引起光学元件内温度上升，进而形成样品内温度梯度分布；(2)通过建立精确温度理论模型能够准确刻画光学元件因受加热激光照射所引 起的温升分布，并且基于此精确温度模型的数值模拟确定待测光学元件的最佳温度探测位 置；(3)将高灵敏度温度探测元件调至最佳温度探测位置处，根据国际标准IS011551 所规定的测量过程测量待测光学元件在激光照射前、照射过程中以及照射后的温度变化；(4)再利用国际标准IS011551中所描述的均勻温度模型拟合所测温度数据得到 待测光学元件的吸收损耗绝对值。所述的精确温度模型中的加热激光束可以是高斯光束或者平顶光束。所述的精确温度模型所表示的温升分布适用于常见圆柱型光学元件，并且该温升 分布表达式是空间坐标r、ζ以及时间t的函数，其中r、ζ分别表示径向和深度方向位置坐 标。其具体的温升分布为一束加热光斑半径为a的高斯激光束照射在半径为b，厚度为d的圆柱型光学元件 上，光学元件内的温升分布为
权利要求
1. 一种光学元件吸收损耗测量的数据处理方法，其特征在于实现步骤如下(1)连续加热激光束经透镜聚焦后入射在待测光学元件表面，所述光学元件因吸收入 射激光束能量，引起光学元件内温度梯度分布；(2)建立精确理论温度模型准确描述所述光学元件因受激光照射所引起的温升分布， 并且基于此精确温度模型的数值模拟确定待测光学元件的最佳温度探测位置；所述建立的精确温度模型为一光斑半径为a的加热激光束照射在半径为b，厚度为d 的圆柱型光学元件表面，引起温升分布模型为
2.根据权利要求1所述的光学元件吸收损耗测量的数据处理方法，其特征在于所述 的精确理论温度模型中的加热激光束是高斯光束或者平顶光束。
3.根据权利要求1所述的光学元件吸收损耗测量的数据处理方法，其特征在于所述 的用于拟合的均勻温度理论模型是在假设待测光学元件样品热导率为无穷大时的温升分 布，其温升分布表达式仅是时间t的函数，具体的温升分布模型为
全文摘要
一种光学元件吸收损耗测量的数据处理改进方法，连续激励光束经透镜聚焦后照射光学元件表面，光学元件因吸收入射激光束能量引起内部温度上升。通过建立一种更能真实反映光学元件所处物理实际的精确温度模型，基于此精确温度模型，通过对一定尺寸不同热物理性质光学元件不同位置温升的数值模拟，得到不同于国际标准ISO11551所采用的最佳温度探测位置。再将温度传感器调至此最佳温度探测位置测量光学元件表面的温度数据，将测量得到的温度数据拟合到国际标准ISO11551中所采用的均匀温度模型得到样品的吸收损耗值。与现有国际标准ISO11551采用固定温度探测位置相比较，本发明提出针对不同待测光学元件尺寸和热物理参数，采用位置可调的温度传感器以实现更精确测量光学元件吸收损耗的目的。
文档编号G01N25/20GK102053006SQ201010535210
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者李斌成, 王艳茹, 高卫东 申请人:中国科学院光电技术研究所