專利名稱：基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及光學(xué)材料激光預(yù)處理領(lǐng)域，具體是一種基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置。
背景技術(shù)：
[0002]近年來，隨著激光技術(shù)及其應(yīng)用的快速發(fā)展，特別是激光輸出能量和功率水平的大幅提高，對各類光學(xué)元件的光學(xué)性能，如吸收特性、缺陷分布及抗激光破壞能力等的要求也越來越高。一些大型激光系統(tǒng)對其光學(xué)元件的要求越來越接近現(xiàn)有加工技術(shù)的極限，因此僅僅從傳統(tǒng)的元件加工方法和加工工藝上來進(jìn)行改進(jìn)以提高光學(xué)元件的光學(xué)性能不僅在技術(shù)上變得越來越困難，而且成本也變得非常昂貴，難以滿足科學(xué)研究及大規(guī)模應(yīng)用的要求。[0003]通過激光預(yù)處理來提高光學(xué)元件的光學(xué)性能，特別是其抗激光損傷能力，是一種行之有效的方法。激光預(yù)處理技術(shù)通常是采用功率密度或能量密度低于光學(xué)元件損傷閾值的激光束(亞閾值激光束)對光學(xué)元件進(jìn)行100%覆蓋的輻照處理。激光預(yù)處理能夠有效清除光學(xué)元件表面和亞表面缺陷以及元件表面的污染，從而加大幅度提高元件的激光損傷閾值。[0004]在一些大型及超大型激光系統(tǒng)中常用的透明光學(xué)材料主要有熔融石英(FusedSilica)、KDP晶體等。這些材料在實(shí)際應(yīng)用中，其元件表面污染、表面和亞表面缺陷、以及材料體內(nèi)缺陷等，都是潛在的降低元件抗激光能力的因素。因此根據(jù)具體的情況，對表面、亞表面、以及整個元件的通光體積都進(jìn)行激光預(yù)處理能夠較大幅度提高相關(guān)原件的激光損傷閾值。[0005]在激光預(yù)處理過程中，為了達(dá)到更好的處理效果，一般需要采用強(qiáng)度依次增加的激光束對樣品進(jìn)行多次輻照處理，并且根據(jù)具體元件特點(diǎn)要對初始處理的激光強(qiáng)度以及所有后續(xù)處理的激光強(qiáng)度等進(jìn)行合理的控制。此外，由于在超大型強(qiáng)激光系統(tǒng)中的光學(xué)元件的損傷閾值要求較高，因此對其進(jìn)行亞閾值激光預(yù)處理需要使用較高的功率或能量密度。這樣一來，利用普通工業(yè)商用激光器進(jìn)行激光預(yù)處理，通常需要將光束聚焦成比較小的光斑尺寸才能滿足激光亞閾值預(yù)處理所需要的激光功率或能量密度水平。而對樣品100%覆蓋的輻照是通過對樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來實(shí)現(xiàn)的。[0006]由于以上原因，激光預(yù)處理工藝通常既費(fèi)時又昂貴，特別是對超大型強(qiáng)激光系統(tǒng)中所需要的光學(xué)元件，由于其光學(xué)口徑相對很大，激光預(yù)處理技術(shù)相對更為緩慢和昂貴。以一個口徑0.5米X 0.5米的光學(xué)元件為例，如果預(yù)處理光斑面積為是I毫米X I毫米，激光器的重復(fù)頻率為10 Hz,則對其單表面全覆蓋輻照一次就需費(fèi)時約7個小時。如果工藝要求在5個不同能量水平進(jìn)行處理，則對其單表面處理完畢將費(fèi)時35個小時。如果把元件兩個表面都處理完畢，直接掃描時間將費(fèi)時70小時，如果要進(jìn)行材料體內(nèi)處理，耗時將會更長。實(shí)用新型內(nèi)容[0007]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置，解決現(xiàn)有的激光預(yù)處理技術(shù)對于提高大口徑光學(xué)元件激光損傷閾值過程中因?yàn)楹臅r過長而不能滿足實(shí)際使用要求的問題，本實(shí)用新型利用激光束在透明光學(xué)元件樣品內(nèi)部進(jìn)行多次全反射來回收激光能量并重復(fù)利用，并且同時對透明光學(xué)元件前亞表面、后亞表面、前后表面以及體內(nèi)特性進(jìn)行并行處理，從而能夠大幅提高激光預(yù)處理的速度。[0008]本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:[0009]基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置，包括有激光光源、設(shè)置于激光光源的后端和透明光學(xué)元件一側(cè)面之間的激光能量調(diào)整控制裝置、激光光束整形處理裝置、激光光束分光楔板光束角度調(diào)整裝置，激光光束分光楔板的第一反射輸出端后設(shè)置有CCD成像裝置，其第二反射輸出端后設(shè)置有分光裝置，分光裝置的兩分光輸出端后分別設(shè)置有光電探測器和激光能量測量裝置。[0010]所述的基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置還包括有相對透明光學(xué)元件另一側(cè)面設(shè)置的激光光束吸收裝置。[0011]所述的光學(xué)角度調(diào)整裝置選用激光高反鏡，所述的激光高反鏡固定于激光高反鏡裝夾調(diào)整裝置上。[0012]在實(shí)際應(yīng)用中樣品材料的微弱吸收以及在全反射界面的能量損失會使處理激光束能量隨著重復(fù)利用次數(shù)的增加而逐漸減少，但是這種減少是緩慢的，在一定程度上不會對處理結(jié)果造成顯著影響。例如，假設(shè)樣品在界面每反射一次其能量損失率為0.2%，則經(jīng)過N次反射后，其能量與初始激光束能量的比值為(1-0.1%) 'N (當(dāng)N=IO時，該值為98%)。[0013]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):[0014](I)、本實(shí)用新型的激光光束在樣品內(nèi)部多次全反射后能量或功率水平基本保持不變，這樣就相當(dāng)于對元件樣品表面的多個處理點(diǎn)以及內(nèi)部激光光束經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行了同一激光能量下的并行處理，大大提高了激光預(yù)處理的速度；[0015](2)、在全反射條件下，在透明光學(xué)元件內(nèi)部對材料進(jìn)行激光預(yù)處理，除了同時處理了前亞表面、后亞表面以及體內(nèi)特性外，還通過在全內(nèi)反射條件下越過界面的倏逝波對內(nèi)表面另一側(cè)的外表面污染及缺陷進(jìn)行了預(yù)處理；[0016](3)、本實(shí)用新型采用如圖2和圖4所示的掃描方式對整個樣品進(jìn)行掃描處理。如圖2所示，激光束從樣品側(cè)面最上端入射進(jìn)入到樣品內(nèi)部，并通過全反射依次經(jīng)過樣品兩個表面的處理點(diǎn)I至處理點(diǎn)N。首先樣品相對激光進(jìn)行橫向掃描,一次掃描完成后,樣品前表面和后表面上將同時形成N條已經(jīng)處理的光斑覆蓋區(qū)域，并且樣品內(nèi)部激光束經(jīng)過的區(qū)域也同時得到了處理。將樣品相對激光束的橫向掃描與入射激光束在保持入射角度不變的情況下沿樣品側(cè)面的掃描(從樣品側(cè)面最上端至最下端)結(jié)合，完成這樣一次二維掃描后，將對樣品表面和內(nèi)部的如圖2中所顯示的陰影區(qū)域都進(jìn)行了處理。再改變激光束的入射方向，如圖4所示，激光束從如圖2中所示激光束入射方向相對側(cè)面法線對稱的方向入射，再重復(fù)如圖2中的二維掃描，就可以完成對樣品表面和內(nèi)部100%覆蓋的輻照處理。而普通的激光預(yù)處理裝置通常是讓激光束匯聚到樣品前表面上，樣品相對激光橫向掃描一次完成后，激光只在該表面上形成一條已經(jīng)處理的光斑覆蓋區(qū)域。處理完一個表面后，還需要重復(fù)對另一個表面進(jìn)行掃描處理。經(jīng)過比較，可以看出，采用本實(shí)用新型的方法，可以將樣品表面的預(yù)處理速度提高N倍；以KDP晶體為例，它的全反射臨界角大約為42度，假設(shè)入射到樣品表面的激光束的入射角為50度，對一個幅面為0.5米X0.5米、厚度為5厘米的元件，計算表明，激光束可以在樣品內(nèi)部反射8次，意味著單件元件的處理速度可以提高8倍；[0017](4)、由樣品另一側(cè)面出射的激光束雖然經(jīng)過多次全反射，其總能量損耗還是可以比較小的，可以重復(fù)回收利用，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓饴氛{(diào)整將出射后的激光光束再次射到另一元件上(見圖5)，利用同樣的全反射原理對另一元件進(jìn)行能量或功率密度相對較低的輻照處理；激光在經(jīng)過一個元件后能量損耗很低，因此可以重復(fù)利用多次，如果重復(fù)利用5次，相當(dāng)于把預(yù)處理速度提高5N倍。[0018]本實(shí)用新型利用激光光束在透明光學(xué)元件樣品內(nèi)部進(jìn)行多次全反射來回收激光能量并重復(fù)利用，并且同時對光學(xué)元件前亞表面、后亞表面、前后表面以及體內(nèi)特性進(jìn)行并行處理，從而能夠大幅提高激光預(yù)處理的速度，且同時可以大幅提高對普通中小口徑光學(xué)元件預(yù)處理速度和效率，從而大幅降低激光預(yù)處理的成本，有利于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。本實(shí)用新型特別適用于超大型激光系統(tǒng)中熔融石英和KDP晶體的激光預(yù)處理。


[0019]圖1是本實(shí)用新型的的原理示意圖。[0020]圖2是采用本實(shí)用新型進(jìn)行全反射激光預(yù)處理的掃描示意圖一。[0021]圖3是透明光學(xué)元件采用圖2進(jìn)行全反射激光預(yù)處理后其前表面的掃描示意圖。[0022]圖4是采用本實(shí)用新型進(jìn)行全反射激光預(yù)處理的掃描示意圖二。[0023]圖5是本實(shí)用新型激光光束處理多個光學(xué)元件的原理示意圖。[0024]圖6是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
中基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0025]見圖6，基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置，包括有相對透明光學(xué)元件11的一側(cè)面設(shè)置的激光光源1，依次設(shè)置于激光光源I的后端和透明光學(xué)元件11 一側(cè)面之間的激光能量調(diào)整控制裝置2、激光光束整形處理裝置3和激光光束分光楔板4，設(shè)置于激光光束分光楔板4的第一反射輸出端后的CCD成像裝置5,設(shè)置于激光光束分光楔板4的第二反射輸出端后的分光裝置6,設(shè)置于激光光束分光楔板4的透射輸出端后的激光高反鏡9，用于固定激光高反鏡9的激光高反鏡裝夾調(diào)整裝置10，分別設(shè)置于分光裝置6兩分光輸出端后的光電探測器8和激光能量測量裝置7，相對透明光學(xué)元件另一側(cè)面設(shè)置的激光光束吸收裝置12。[0026]由激光光源I發(fā)出的激光光束依次經(jīng)過激光能量調(diào)整控制裝置2和激光光束整形處理裝置3，這兩個裝置的作用是對施加在元件上的激光強(qiáng)度和光束形態(tài)進(jìn)行精確控制；由激光光束整形處理裝置3出射的光束經(jīng)由激光光束分光楔板4分成能量較小的兩束反射光束和一束能量較大的透射光束，其中第一束反射光束進(jìn)入CCD成像裝置5，用來對激光光束進(jìn)行光束質(zhì)量監(jiān)測，第二束反射光束由分光裝置6分成兩束光，其中一束進(jìn)入激光能量測量裝置7，用來對激光光束的能量進(jìn)行監(jiān)測，另一束則進(jìn)入光電探測器8，用以對激光脈沖進(jìn)行脈沖性狀的監(jiān)測，同時也對脈沖數(shù)量進(jìn)行計數(shù)和對激光預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行其他控制；透過激光光束分光楔板4的透射激光光束經(jīng)由激光高反鏡9反射后入射到待處理透明光學(xué)元件11的一側(cè)面，激光高反鏡9裝夾在激光高反鏡裝夾調(diào)整裝置10上，可以調(diào)整入射到透明光學(xué)元件11的入射角度；進(jìn)入透明光學(xué)元件11內(nèi)部的激光光束照射到透明光學(xué)元件11前亞表面的處理點(diǎn)1，通過適當(dāng)選擇激光束初始入射的角度，使得在處理點(diǎn)I處的激光光束相對透明光學(xué)元件11正面的入射角大于透明光學(xué)元件11的光學(xué)全反射臨界角，這樣，激光能量將被樣品表面全部反射，并照射到樣品背面的處理點(diǎn)2處；由于透明光學(xué)元件11的兩個表面是平行的，在處理點(diǎn)2處的激光束相對樣品后亞表面的入射角與處理點(diǎn)I出的入射角相同，都滿足全反射條件，激光能量將再次被樣品表面全部反射；以此類推，激光束在樣品兩個表面之間多次全反射，每次反射點(diǎn)即為一個處理點(diǎn)，直至經(jīng)由樣品表面的處理點(diǎn)N反射后由樣品另一端側(cè)面透射出來，被激光光束吸收裝置吸收。[0027]實(shí)際應(yīng)用中可以對激光預(yù)處理過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、對每一個預(yù)處理點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時檢測。[0028]采用如圖2和圖4結(jié)合的掃描方法，就可以實(shí)現(xiàn)對整個元件的兩個表面及內(nèi)部100%覆蓋的輻照處理，大大提高了預(yù)處理的速度。另外，如果在此基礎(chǔ)上采用如圖5所述的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步的提高多個透明光學(xué)元件的預(yù)處理速度，從而大大減少整個預(yù)處理過程所需的時間。
權(quán)利要求1.基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置，包括有激光光源，其特征在于:還包括有依次設(shè)置于激光光源的后端和透明光學(xué)元件一側(cè)面之間的激光能量調(diào)整控制裝置、激光光束整形處理裝置、激光光束分光楔板光束角度調(diào)整裝置，激光光束分光楔板的第一反射輸出端后設(shè)置有CCD成像裝置，其第二反射輸出端后設(shè)置有分光裝置，分光裝置的兩分光輸出端后分別設(shè)置有光電探測器和激光能量測量裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置，其特征在于:所述的基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置還包括有相對透明光學(xué)元件另一側(cè)面設(shè)置的激光光束吸收裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置，其特征在于:所述的光束角度調(diào)整裝置選用激光高反鏡，所述的激光高反鏡固定于激光高反鏡裝夾調(diào)整裝置上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于全反射原理的光學(xué)元件激光預(yù)處理裝置，具體是將激光光束從透明光學(xué)元件的一側(cè)面入射到透明光學(xué)元件內(nèi)部并照射到透明光學(xué)元件前表面的處理點(diǎn)1，在處理點(diǎn)1處，激光光束的入射角度滿足光學(xué)全反射條件，經(jīng)由全反射反射至元件后表面的處理點(diǎn)2處，依此類推，激光光束在元件內(nèi)部前后表面之間進(jìn)行多次全反射，直至最后從透明光學(xué)元件另一側(cè)面出射。本實(shí)用新型利用激光光束在透明光學(xué)元件樣品內(nèi)部進(jìn)行多次全反射來回收激光能量并重復(fù)利用，并且同時對光學(xué)元件前亞表面、后亞表面、前后表面以及體內(nèi)特性進(jìn)行并行處理，從而大幅提高激光預(yù)處理的速度。
文檔編號B23K26/42GK203062085SQ201220718469
公開日2013年7月17日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者吳周令, 陳堅(jiān), 吳令奇 申請人:合肥知常光電科技有限公司