一种光学薄膜元件的吸收与激光损伤的原位测量装置与方法

本发明涉及光学薄膜元件的吸收测量及激光损伤测试领域，尤其涉及考察样品损伤阈值与吸收特性同时考察或关联研究的情况。

背景技术：

1、光学薄膜是一类重要的光学元件，广泛地应用于近乎所有的光学系统中。由于光学薄膜制备过程的复杂及其工艺参数的超高要求，成膜后的抗激光损伤能力远低于材料自身，同时制备过程中难免引入各种杂质及缺陷，这使得薄膜元件的激光损伤阈值进一步降低，这在一些强激光系统中极易形成激光损伤。因此，激光损伤机理以及激光损伤阈值测试得到重视并进行了较多研究，针对激光损伤阈值测试装置指标要求及流程等建立了iso11254标准，研究了脉冲宽度、波长、光斑尺寸和材料带隙等诸多因素对损伤阈值的影响。此外，光学薄膜自身的线性吸收也在损伤过程中起重要作用，特别是纳秒(ns)以及更长脉冲作用下，由此对于光学薄膜的吸收测试也进行了较多的研究。

2、然而，当前的损伤与吸收测量是由不同的装置完成，样品在不同装置之间转移时很难做到测量位置的完全一致，不同装置之间的测试参数特别是光斑尺寸，也存在一定差别，从而难以建立损伤与吸收之间准确的关联关系，这在很大程度上阻碍了吸收与损伤关联研究的进程。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种光学薄膜元件的吸收与激光损伤的原位测量装置与方法，利用泵浦激光器的两种模式分别作为吸收与损伤测量的光源，在同一套装置上即可实现光学薄膜的吸收测量与激光损伤的同步实时测试。

2、本发明的解决方案如下：

3、一方面，本发明提供一种光学薄膜元件的吸收与激光损伤原位测量装置，其特点在于该装置包括：泵浦激光器、能量控制系统、楔形片、反射镜、能量计、聚焦透镜、损伤检测系统、样品定位与运动平台、探测激光器、锁相放大器、光电探测器与计算机；

4、所述泵浦激光器的输出光束进入能量控制系统完成能量调节后，经所述楔形片分为二部分，其中小部分光束由所述能量计测量，大部分光束经过所述反射镜反射后，通过所述聚焦透镜后照射到样品表面；测试样品装夹于所述定位与移动平台上，并保证样品前表面在光束焦点位置，所述损伤检测系统实时监测样品表面上泵浦光束的辐照区域并将信息传输至所述计算机进行处理以判断损伤与否；

5、所述探测激光器输出探测光束经所述反射镜反射后辐照样品表面的测试位置，经样品表面反射后的光束进入所述光电探测器转换为电信号并输入到所述锁相放大器的信号端作为输入信号，同时所述泵浦激光器的脉冲同步信号输入到所述锁相放大器的参考信号端作为基准信号，锁相放大器根据基准信号测量输入信号中的同频分量即光热信号，所述计算机读取并记录该光热信号值，同时读取探测光束的实时强度记录为直流信号；

6、利用所述泵浦激光器的两种工作模式，即自由振荡模式和调q模式，通过所述能量控制系统调节泵浦脉冲能量，从而实现光学薄膜元件的吸收与激光损伤原位测量。

7、另一方面，本发明还提供一种光学薄膜元件的吸收与激光损伤原位测量方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

8、准备阶段：

9、①构建上述所述光学薄膜元件的吸收与激光损伤的原位测量装置；

10、②将样品装夹在样品定位与运动平台，并将样品测试位置移动到泵浦光束会聚点；

11、测量阶段：

12、光学薄膜元件的吸收测量：

13、③将泵浦激光器设定为自由振荡模式并输出脉冲，根据锁相放大器的光热信号幅值，利用能量控制系统调节泵浦脉冲能量，使泵浦光依次经楔形片、反射镜和聚焦透镜后辐照样品表面，并通过能量计记录辐照脉冲能量，所述锁相放大器测量样品的光热信号值，并通过所述计算机记录泵浦脉冲能量、光热信号及直流信号；

14、④计算光学薄膜元件每个测试点的吸收值as，公式如下：

15、as＝ss/iprobes/ipumps/c

16、式中，ss为记录到的光热信号，iprobes为直流信号，ipumps为泵浦脉冲能量，c为常数；

17、光学薄膜元件的激光损伤原位测量：

18、⑤将泵浦激光器转换为调q模式，通过所述能量控制系统将脉冲能量尽量调低后开始辐照样品，并逐渐提升能量直至损伤产生；辐照过程中通过所述能量计记录辐照脉冲能量，并由所述损伤检测系统实时监控损伤发生，并利用所述计算机实时记录泵浦脉冲能量、损伤情况；

19、⑥利用能量计读取每个点损伤时对应的泵浦脉冲能量及光斑尺寸；

20、⑦根据泵浦脉冲能量及光斑尺寸计算能量密度，即为该点对应的损伤阈值。

21、与现有技术相比，本发明的技术效果是：

22、1)利用同一泵浦激光器输出光源分别作为吸收与损伤测量的光源，在同一套装置上可实现光学薄膜的吸收测量与激光损伤测试，降低了装置成。

23、2)在吸收与损伤测量过程中，无需移动样品，且测试光束尺寸及其测试区域完全一致，极大程度消除了样品在测量装置之间转换带来的吸收与损伤的关联误差。这对于建立严格的吸收与损伤关联关系、研究吸收在激光损伤过程中的作用、理解损伤机制具有重要意义。

技术特征：

1.一种光学薄膜元件的吸收与激光损伤原位测量装置，其特征在于该装置包括：泵浦激光器(101)、能量控制系统(102)、楔形片(103)、反射镜(105)、能量计(104)、聚焦透镜(106)、损伤检测系统(109)、样品定位与运动平台(111)、探测激光器(107)、锁相放大器(110)、光电探测器(112)与计算机(113)；

2.一种光学薄膜元件的吸收与激光损伤原位测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

技术总结
一种光学薄膜元件的吸收与激光损伤的原位测量装置与方法，该装置包括：泵浦激光器、能量控制系统、楔形片、能量计、聚焦透镜、损伤检测系统、样品定位与运动平台、探测激光器、锁相放大器、光电探测器与计算机。测量吸收，设定泵浦激光器自由振荡模式输出长脉冲激光，通过能量控制系统调节脉冲能量；计算机记录锁相放大器测量的光热信号强度以及泵浦脉冲能量、探测光强度等信息计算吸收率；然后将泵浦激光器改为调Q模式输出短脉冲激光，调整辐照脉冲能量由低到高辐照样品同一位置，直至产生损伤，根据损伤产生时的脉冲能量及光斑尺寸得到能量密度即为该点损伤阈值；获得样品同一位置的吸收及损伤阈值后即可建立其吸收与抗激光损伤能力的关系。

技术研发人员：李大伟,花艳,周燕,汪海洋,刘晓凤,赵元安,邵建达
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/6/13