專利名稱：一種同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對光學(xué)元件參數(shù)的測量方法，特別是吸收損耗和表面熱變形量的同時測量方法。
背景技術(shù)：
在高功率激光技術(shù)及其應(yīng)用中，光學(xué)元件的吸收損耗及由此引起的表面熱變形是光學(xué)元件重要的技術(shù)參數(shù)。吸收損耗直接決定了光學(xué)元件損傷閾值的大小，限制了激光器和激光系統(tǒng)所能承受的激光功率、激光能量，而吸收引起的光學(xué)元件表面熱變形會導(dǎo)致激光束的光束質(zhì)量變差，限制了高功率激光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，要發(fā)展低吸收損耗、低熱畸變(表面熱變形)的高功率激光光學(xué)元件，首先必須要有能準(zhǔn)確測量低吸收損耗和低熱變形量的技術(shù)手段。
目前測量光學(xué)元件吸收損耗的國家標(biāo)準(zhǔn)是激光量熱法(ISO115512003(E)-Test method for absorptance of optical laser components)，其優(yōu)點是能直接測量吸收損耗絕對值(不需要定標(biāo))，測量靈敏度高(優(yōu)于10-6-李斌成，熊勝明，H.Blaschke，等；激光量熱法測量光學(xué)薄膜微弱吸收，《中國激光》33823(2006))，且裝置簡單，調(diào)節(jié)方便。缺點是光照射時間長，時間分辨率低，所測量結(jié)果僅反映光照射時間內(nèi)光學(xué)元件吸收損耗的平均值。表面熱變形量的常用測量方法有哈特曼波前傳感測量法和激光干涉測量法。兩種測量方法的靈敏度都不高。表面熱透鏡技術(shù)也可用于表面熱變形量的絕對測量(B.Li，S.Martin，and E.Welsch，Pulsed top-hat beam thermal lensmeasurement on ultraviolet dielectric coatings，Opt.Lett.24，1398(1999)；B.Liand E.Welsch，Probe beam diffraction in pulsed top-hat beam thermal lens withmode-mismatched configuration，Appl.Opt.38，5241(1999))，且通過周期性調(diào)制結(jié)合鎖相探測或多次平均，測量靈敏度比波前傳感和激光干涉技術(shù)高。目前還沒有能同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的技術(shù)和方法報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，并可用于監(jiān)測在激光束照射下光學(xué)元件吸收損耗的實時變化和光學(xué)性能穩(wěn)定性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特點在于步驟如下(1)將一聚焦的高功率激光束(加熱激光束，功率瓦級及以上)照射到一放置在絕熱樣品室內(nèi)的光學(xué)元件表面中心位置附近，光學(xué)元件因吸收激光束能量導(dǎo)致溫度上升，同時光學(xué)元件因熱膨脹產(chǎn)生表面熱變形。用一高靈敏溫度測量元件直接接觸光學(xué)元件表面測量其溫度變化，得到加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后(冷卻過程)光學(xué)元件的溫度變化信號ΔT(t)；同時使用一低功率的連續(xù)激光束(探測激光束，功率毫瓦級或更低)入射到光學(xué)元件被加熱激光束照射的相同表面區(qū)域，用一小孔光闌和光電探測器組合測量從光學(xué)元件表面反射的探測激光束的中心光強變化ΔI(t)，得到加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化ΔI(t)對應(yīng)的電流或電壓信號ΔV(t)；(2)記錄加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后(冷卻過程)光學(xué)元件的溫度變化信號波形ΔT(t)，通過數(shù)據(jù)處理得到光學(xué)元件的吸收損耗絕對值；(3)記錄加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化對應(yīng)的電流或電壓信號(稱為表面熱透鏡信號)的振幅A(t)和/或相位(t)，通過數(shù)據(jù)處理得到光學(xué)元件的表面熱變形量，以及其隨時間的實時變化情況，由此得到光學(xué)元件吸收損耗的實時變化情況。
所述步驟(2)中的吸收損耗絕對值通過擬合加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后光學(xué)元件的溫度變化曲線ΔT(t)得到。
所述步驟(1)中加熱激光束和探測激光束的中心位置在被測樣品表面重合，并且在樣品表面位置探測激光束的光斑尺寸是加熱激光束的2倍以上。
所述步驟(1)中小孔光闌和光電探測器組合的小孔光闌位于探測器探測面之前，且小孔光闌的口徑小于加熱激光束在樣品表面位置的光斑尺寸。
所述步驟(1)中探測激光束相對于樣品表面的入射角范圍為0-60度，并且在垂直入射時使用偏振分光技術(shù)分離入射和原光路反射的探測光束。
所述步驟(1)中的加熱激光束強度的調(diào)制采用光學(xué)斬波器調(diào)制，或者采用聲光調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制頻率范圍10Hz-10kHz。
本發(fā)明的原理是首先參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11551建立激光量熱裝置，基于激光量熱技術(shù)測量被測光學(xué)元件的吸收損耗。然后在激光量熱測量技術(shù)和裝置基礎(chǔ)上，引入表面熱透鏡測量技術(shù)。相關(guān)具體步驟為將未聚焦的探測激光束與加熱激光束共軸或傍軸地入射到被測光學(xué)元件的加熱表面，兩激光光束中心在光學(xué)元件被照射表面重合。使用光電探測器測量從光學(xué)元件被照射表面反射的探測激光束中心光強的變化。用光學(xué)斬波器或聲光調(diào)制器對加熱激光光束的強度進(jìn)行周期性調(diào)制，用鎖相放大器測量探測光束中心光強的周期性變化ΔI(t)，并用數(shù)字電壓表或示波器測量中心光強的直流信號I(t)，從而得到表面熱透鏡信號S(t)＝ΔI(t)/I(t)。再利用表面熱透鏡信號的幅值A(chǔ)(t)推導(dǎo)出表面熱變形量大小，利用表面熱透鏡信號幅值A(chǔ)(t)和相位(t)的實時變化監(jiān)測光學(xué)元件吸收損耗的實時變化和光學(xué)元件的性能穩(wěn)定性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(1)可同時測量光學(xué)元件的吸收損耗和表面熱變形量，并可監(jiān)測光學(xué)元件在激光照射下光學(xué)性能的穩(wěn)定性，一機多用，節(jié)約了成本；(2)可監(jiān)測激光量熱技術(shù)測量光學(xué)元件吸收損耗過程中光學(xué)元件吸收損耗的動態(tài)變化過程，有利于提高吸收損耗的測量精度；
(3)測量表面熱變形量的靈敏度更高。


圖1為本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明采用的測量裝置由加熱激光光源1、光學(xué)斬波器或聲光調(diào)制器2、聚焦透鏡3、電動光學(xué)快門4、激光功率計5、探測激光光源6、反射鏡7、絕熱樣品室8、被測樣品夾具及被測樣品9，參考樣品夾具及參考樣品10，靈敏溫度探測單元11，橋式放大電路12，光電探測器13，小孔光闌14，A/D轉(zhuǎn)換器15，數(shù)字電壓表或示波器16，鎖相放大器17，計算機18，反射鏡19和光吸收體20組成；加熱激光光源1的輸出光束經(jīng)斬波器或聲光調(diào)制器2光強調(diào)制后由透鏡3聚焦到放置在絕熱樣品室8內(nèi)的被測光學(xué)元件9表面。加熱激光束的功率由電動光學(xué)快門4反射到激光功率計5測量。透過和從被測光學(xué)元件反射的加熱激光束經(jīng)反射鏡19轉(zhuǎn)向后由光吸收體20吸收。光學(xué)元件因吸收加熱激光束能量而溫度上升，同時表面因熱膨脹產(chǎn)生變形。光學(xué)元件的溫度上升由高靈敏溫度探測單元11測量，并通過另一溫度探測單元同時測量參考光學(xué)元件10的溫度和使用橋式放大電路12消除環(huán)境溫度漂移影響。消除了環(huán)境溫度漂移影響的溫度信號ΔT(t)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器15模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機18數(shù)據(jù)處理，得到被測光學(xué)元件的吸收損耗絕對值。另外，表面熱變形由表面熱透鏡技術(shù)測量，從探測激光光源6輸出的光束經(jīng)反射鏡7轉(zhuǎn)向后入射到被測光學(xué)元件表面被加熱激光束照射的相同區(qū)域，從該表面反射的探測激光束經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)向后，光斑中心部分光束穿過小孔光闌14后由光電探測器13探測，被測光學(xué)元件因熱膨脹產(chǎn)生的表面熱變形導(dǎo)致反射探測激光束中心光強降低，通過光電探測器探測中心光強的直流量I(t)(由數(shù)字電壓表或示波器16讀出)及其交流變化量ΔI(t)(由鎖相放大器17讀出)，得到表面熱透鏡信號S(t)的振幅A(t)和相位(t)，再經(jīng)過計算機18數(shù)據(jù)處理即可得到被測光學(xué)元件表面熱變形量大小。表面熱透鏡信號振幅和相位的實時變化則反映了被測光學(xué)元件吸收損耗的實時變化及光學(xué)性能穩(wěn)定性。
激光量熱技術(shù)通過測量光學(xué)元件因吸收照射激光束能量而產(chǎn)生的溫度上升來確定光學(xué)元件的吸收大小。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11551中規(guī)定，測量過程應(yīng)包括照射前(至少30秒)、照射(5至300秒)和冷卻(至少200秒)三個過程。照射和冷卻過程中被測樣品的溫度變化分別為ΔT(t)＝A{1-exp[-γ(t-t1)]}，(t1≤t≤t2)(1)ΔT(t)＝ΔT(t2)+B{1-exp[-γ(t-t2)]}，(t≥t2)(2)其中Ceff、α、P、γ分別是樣品及樣品夾具的有效熱容量、樣品吸光度、照射激光束功率和熱損失系數(shù)，t1和t2分別是激光束照射開始和結(jié)束時的時間，A，B為實驗參數(shù)。通過(1)、(2)式擬合測量溫度曲線得到A、B和γ，從而得到被測樣品的絕對吸光度α=fcγCeffAP.---(3)]]>(3)式中的功率P由激光功率計測量，fc為實驗定標(biāo)因子，通過測量已知吸收值的標(biāo)準(zhǔn)樣品確定。
在表面熱透鏡技術(shù)中，表面熱透鏡信號反映了從被測光學(xué)元件表面反射的探測激光束中心光強度的變化。當(dāng)加熱激光束和探測激光束的中心位置在被測樣品表面重合，并且在樣品表面位置探測激光束的光斑尺寸是加熱激光束的2倍以上時，表面熱透鏡信號可表示為S(t)=A(t)exp(iφ(t))=ΔI(t)I(t)≈C·4πγ·Δhmax∝αP---(4)]]>(4)式中Δhmax為最大表面熱變形量，λ為探測激光束波長，C為與被測光學(xué)元件熱物理特性和實驗參數(shù)(調(diào)制頻率、探測距離、加熱激光束光斑尺寸等)有關(guān)的系數(shù)，可通過實驗或理論推導(dǎo)得到，通過測量表面熱透鏡信號振幅A(t)，即可得到表面熱變形量大小。而由于表面熱透鏡信號振幅A(t)與被測光學(xué)元件的吸收損耗成正比，通過監(jiān)測表面熱透鏡信號振幅A(t)的實時變化，就可以得到激光束照射時吸收損耗的實時變化。
在表面熱透鏡技術(shù)的具體實施過程中，為了提高測量靈敏度，對加熱激光束功率進(jìn)行了周期性調(diào)制。通過合理選擇調(diào)制頻率來提高熱透鏡信號的信噪比，通常合理的調(diào)制頻率范圍在10Hz-10kHz。
權(quán)利要求
1.一種同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于(1)將一聚焦的高功率激光束，即加熱激光光束照射到一放置在絕熱樣品室內(nèi)的光學(xué)元件表面中心位置附近，光學(xué)元件因吸收激光束能量導(dǎo)致溫度上升，同時光學(xué)元件因熱膨脹產(chǎn)生表面熱變形，用一高靈敏溫度測量元件直接接觸光學(xué)元件表面測量其溫度變化，得到加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后，即冷卻過程光學(xué)元件的溫度變化信號ΔT(t)；同時使用一低功率的連續(xù)激光束，即探測激光光束入射到光學(xué)元件被加熱激光束照射的相同表面區(qū)域，用一小孔光闌和光電探測器組合測量從光學(xué)元件表面反射的探測激光束的中心光強變化ΔI(t)，得到加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化ΔI(t)對應(yīng)的電流或電壓信號ΔV(t)；(2)記錄加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后，即冷卻過程光學(xué)元件的溫度變化信號波形ΔT(t)，通過數(shù)據(jù)處理得到光學(xué)元件的吸收損耗絕對值；(3)記錄加熱激光束照射過程中探測激光束中心光強變化對應(yīng)的電流或電壓信號，稱為表面熱透鏡信號的振幅A(t)和/或相位(t)，通過數(shù)據(jù)處理得到光學(xué)元件的表面熱變形量，以及其隨時間的實時變化情況，由此得到光學(xué)元件吸收損耗的實時變化情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述步驟(2)中的數(shù)據(jù)處理為通過擬合加熱激光束照射前、照射過程中、以及照射后，即冷卻過程光學(xué)元件的溫度變化曲線ΔT(t)得到吸收損耗絕對值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述的加熱激光束和探測激光束的中心位置在被測樣品表面重合，并且在樣品表面位置探測激光束的光斑尺寸是加熱激光束的2倍以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述的小孔光闌和光電探測器組合中的小孔光闌位于探測器探測面之前，且小孔光闌的口徑小于加熱激光束在樣品表面位置的光斑尺寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述的探測激光束相對于樣品表面的入射角范圍為0-60度，并且在垂直入射時使用偏振分光技術(shù)分離入射和原光路反射的探測光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于所述加熱激光束強度的調(diào)制采用光學(xué)斬波器調(diào)制，或者采用聲光調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制頻率范圍10Hz-10kHz。
全文摘要
一種同時測量光學(xué)元件吸收損耗和表面熱變形量的方法，其特征在于采用激光量熱和表面熱透鏡聯(lián)合技術(shù)同時測量光學(xué)元件的吸收損耗絕對值和表面熱變形量，并可監(jiān)視激光照射過程中光學(xué)元件吸收損耗的實時變化。本方法通過測量加熱激光束照射過程中光學(xué)元件的溫度變化得到其吸收損耗值，并通過測量光學(xué)元件因吸收加熱激光束能量產(chǎn)生的表面熱變形導(dǎo)致的探測激光束中心光強變化幅值得到表面熱變形量，通過監(jiān)測探測光束中心光強的實時變化監(jiān)視吸收損耗的實時變化及光學(xué)元件性能的穩(wěn)定性。
文檔編號G01M11/02GK1971233SQ20061016508
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者李斌成 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所