本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件的無損評價方法，尤其涉及一種無損評價光學(xué)元件損傷性能的方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)元件損傷問題一直以來都是大型高功率/高能量激光裝置研制中的關(guān)鍵問題，決定了激光裝置的最大輸出能力，并限制激光輸出的進(jìn)一步提升。為了激光裝置能夠盡可能在最大輸出通量下安全運(yùn)行，光學(xué)元件上架使用前開展損傷性能評估極為重要。目前對光學(xué)元件損傷性能的評估都是通過直接對元件進(jìn)行損傷測試來實現(xiàn)的。通過損傷測試能獲得最直接、最準(zhǔn)確的結(jié)果，但損傷測試本身是一個消耗的過程，經(jīng)過測試的元件將失去部分甚至全部使用功能，而高品質(zhì)的大口徑紫外光學(xué)元件大都價值不菲，這種方法對于控制科研及運(yùn)行成本顯然非常不利。

研究表明，目前通量下導(dǎo)致光學(xué)元件損傷的原因是加工過程中引入的、位于元件亞表層的微納米缺陷，如圖1為光學(xué)元件亞表面缺陷分布結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)激光通過光學(xué)元件亞表面微裂紋時，一方面光場的衍射干涉作用導(dǎo)致光場的局部增強(qiáng)可達(dá)數(shù)十倍，另一方面微裂紋內(nèi)雜質(zhì)的強(qiáng)吸收性會吸收激光能量，兩者的共同作用導(dǎo)致光學(xué)元件損傷性能遠(yuǎn)低于無缺陷的位置。因此采用特定方式無損測試并表征這類缺陷，來評估光學(xué)元件損傷性能是有效且非常有意義的。

目前常用的光學(xué)元件測試方法主要為面形、應(yīng)力、表面粗糙度、疵病、透射率等，研究表明這些方法測試的結(jié)果與光學(xué)元件損傷性能沒有直接的關(guān)系，而直接相關(guān)的亞表面微觀缺陷位于表面以下，尺度極小，很難探測?；诠鈱W(xué)元件損傷機(jī)理，即亞表面微裂紋內(nèi)部嵌埋污染性雜質(zhì)在激光輻照下易吸收高通量激光能量發(fā)生損傷，提出用低于損傷閾值的激光激發(fā)微裂紋內(nèi)部嵌埋的污染性雜質(zhì)，通過探測其發(fā)出的熒光獲得相應(yīng)的熒光缺陷，由此來無損表征光學(xué)元件損傷性能，從原理上看是可行的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于提供一種解決上述問題，獲取獲得熒光缺陷面積與光學(xué)元件損傷閾值、損傷密度的關(guān)系曲線圖，并由此測量待測光學(xué)元件的熒光缺陷面積，從而無損獲得其損傷閾值和損傷密度的一種無損評價光學(xué)元件損傷性能的方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：一種無損評價光學(xué)元件損傷性能的方法，包括以下步驟；

（1）構(gòu)建光路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)包括連續(xù)激光器、脈沖激光器、樣品臺、顯微成像系統(tǒng)，樣品臺能三維移動且內(nèi)置光學(xué)元件的樣品；

所述連續(xù)激光器能發(fā)出連續(xù)激光，經(jīng)第一能量調(diào)節(jié)器、第一透鏡、反射鏡、樣品正面后，照射到樣品背面，連續(xù)激光經(jīng)樣品反射的反射方向上設(shè)有殘余激光收集器；

所述脈沖激光器能發(fā)出脈沖激光，經(jīng)第二能量調(diào)節(jié)器、縮束系統(tǒng)、劈板、第二透鏡后，照射到樣品背面，劈板出射光的反射光反向延長線上，設(shè)有能量卡計，顯微成像系統(tǒng)正對樣品被照射部位；

（2）選取多塊同類型光學(xué)元件樣品，將其中一塊安裝在樣品臺上，啟動連續(xù)激光器在樣品背面激發(fā)熒光，并調(diào)整其激發(fā)激光功率至熒光能被顯微成像系統(tǒng)清晰探測到；

利用顯微成像系統(tǒng)對熒光區(qū)域成像，熒光區(qū)域大于且完全覆蓋成像區(qū)域，獲得成像區(qū)域內(nèi)的熒光缺陷分布圖像，分析得出熒光缺陷數(shù)據(jù)，所述熒光缺陷數(shù)據(jù)為熒光缺陷面積占成像區(qū)域面積的百分比；

關(guān)閉連續(xù)激光器，啟動脈沖激光器在樣品背面形成輻照區(qū)域，所述輻照區(qū)域大于且完全覆蓋成像區(qū)域；

（3）移動樣品臺，在樣品背面形成數(shù)個互不重疊的輻照區(qū)域，通過顯微成像系統(tǒng)監(jiān)控樣品是否發(fā)生損傷，測試該區(qū)域的損傷閾值；

（4）移動樣品臺，在樣品背面形成數(shù)個互不重疊的輻照區(qū)域，通過顯微成像系統(tǒng)監(jiān)控樣品上的損傷點分布情況，獲得輻照區(qū)中成像區(qū)域的損傷密度，且步驟（4）和步驟（3）的輻照區(qū)域不重疊；

（5）更換樣品，重復(fù)步驟（2）-（4），獲得多個樣品的損傷閾值和損傷密度數(shù)據(jù)，將熒光缺陷數(shù)據(jù)與損傷閾值和損傷密度作相關(guān)性分析，獲得熒光缺陷密度與光學(xué)元件損傷閾值和損傷密度的關(guān)系曲線圖；

（6）選取與光學(xué)元件樣品同類型的待測樣品，測試其熒光缺陷數(shù)據(jù)，并根據(jù)步驟（5）的關(guān)系曲線圖，推算出其損傷閾值和損傷密度。

作為優(yōu)選：所述劈板入射光反射方向上，依次設(shè)有檢測激光脈沖形狀的光電管和監(jiān)測激光光斑質(zhì)量的品質(zhì)分析儀，連續(xù)激光為355nm的連續(xù)激光，激發(fā)的熒光區(qū)域樣品背面大于2*2mm；脈沖激光為355nm的脈沖激光，其輻照區(qū)域在樣品背面大于2*2mm，脈沖激光的調(diào)制度低于1.5。

作為優(yōu)選：所述顯微成像系統(tǒng)包括依次設(shè)置的成像鏡頭、高通濾波器和ccd，所述成像鏡頭為高倍率成像鏡頭，所述高通濾波器與激發(fā)光源波長匹配。

作為優(yōu)選：步驟（3）中測試損傷閾值的方法為：從低能量開始輻照，以一定的能量間隔提升輻照能量，每個能量輻照1發(fā)次，輻照過程中監(jiān)控光學(xué)元件被輻照位置的損傷情況，直至發(fā)生損傷停止輻照，記錄下引發(fā)損傷的激光能量，通過計算獲得該位置的損傷閾值。

作為優(yōu)選：步驟（4）中測試損傷密度的方法為：在光斑區(qū)域內(nèi)，通過顯微成像系統(tǒng)對熒光缺陷成像，獲得熒光缺陷數(shù)據(jù)，選擇五個不同的能引發(fā)損傷的激光通量進(jìn)行輻照，且輻照過程中固定激光輸出能量，統(tǒng)計每個通量下的成像圖像總面積和損傷點個數(shù)，以獲得損傷密度。

作為優(yōu)選：所述樣品為精拋光熔石英實驗過程中，根據(jù)光學(xué)元件的不同，我們選用不同的波長、不同的激發(fā)激光功率，以保證顯微成像系統(tǒng)能清晰成像。同時，在顯微成像系統(tǒng)中設(shè)置高通濾波器，高通濾波器需以與激發(fā)光源波長匹配，剛好能去除激發(fā)激光為佳。

顯微成像系統(tǒng)的功能有兩個，一個是對連續(xù)激光產(chǎn)生的熒光缺陷成像，另一個是對脈沖激光輻照下產(chǎn)生的損傷點成像，在實驗時，先開啟連續(xù)激光器發(fā)出連續(xù)激光，結(jié)合顯微成像系統(tǒng)和測試方法得到熒光缺陷數(shù)據(jù)，再關(guān)閉連續(xù)激光器開啟脈沖激光器，結(jié)合顯微成像系統(tǒng)和測試方法得到損傷閾值和損傷密度。在測試過程中，測損傷閾值和損傷密度的位置不能重疊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：通過對于待測光學(xué)元件相同的元件，進(jìn)行多樣品、多位置的測試，獲得此類光學(xué)元件中，熒光缺陷數(shù)據(jù)與激光損傷閾值和損傷密度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而對待測樣品進(jìn)行測量時，通過測量其熒光缺陷數(shù)據(jù)，從而推算出損傷閾值和損傷密度。這里所指熒光缺陷數(shù)據(jù)為熒光缺陷面積占成像區(qū)域面積的百分比；該方法可以通過無損檢測光學(xué)元件的熒光缺陷獲得光學(xué)元件的損傷性能水平，實現(xiàn)光學(xué)元件損傷性能的無損評價。

附圖說明

圖1為精拋光光學(xué)元件亞表層微缺陷特征圖；

圖2為本發(fā)明光路原理圖；

圖3為本發(fā)明實施例中熒光缺陷數(shù)據(jù)與損傷閾值和損傷密度的關(guān)系曲線圖。

圖中：1、連續(xù)激光器；2、第一能量調(diào)節(jié)器；3、第一透鏡；4、反射鏡；5、樣品；6、脈沖激光器；7、第二能量調(diào)節(jié)器；8、縮束系統(tǒng)；9、劈板；10、第二透鏡；11、顯微成像系統(tǒng)；12、殘余激光收集器；13、能量卡計；14、光電管；15、品質(zhì)分析儀；16、雜質(zhì)；17、微裂紋。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實施例1：參見圖1，樣品5表面分為沉積層和破碎層，沉積層表面拋光，其下方破碎層中有很多微裂紋17，沉積層和破碎層均含有雜質(zhì)16。基于光學(xué)元件損傷機(jī)理，即亞表面微裂紋17內(nèi)部嵌埋污染性雜質(zhì)16在激光輻照下易吸收高通量激光能量發(fā)生損傷，本發(fā)明提出用低于損傷閾值的激光激發(fā)微裂紋17內(nèi)部嵌埋的污染性雜質(zhì)16，通過探測其發(fā)出的熒光獲得相應(yīng)的熒光缺陷。

參見圖2和圖3，為了進(jìn)行測試，必然用到光路系統(tǒng)，我們構(gòu)建一種用于本發(fā)明的光路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)包括連續(xù)激光器1、脈沖激光器6、樣品臺、顯微成像系統(tǒng)11，樣品臺能三維移動且內(nèi)置光學(xué)元件的樣品5；所述連續(xù)激光器1能發(fā)出連續(xù)激光，經(jīng)第一能量調(diào)節(jié)器2、第一透鏡3、反射鏡4、樣品5正面后，照射到樣品5背面，連續(xù)激光經(jīng)樣品5反射的反射方向上設(shè)有殘余激光收集器12；所述脈沖激光器6能發(fā)出脈沖激光，經(jīng)第二能量調(diào)節(jié)器7、縮束系統(tǒng)8、劈板9、第二透鏡10后，照射到樣品5背面，劈板9出射光的反射光反向延長線上，設(shè)有能量卡計13，所述劈板9入射光反射方向上，依次設(shè)有檢測激光脈沖形狀的光電管14和監(jiān)測激光光斑質(zhì)量的品質(zhì)分析儀15，連續(xù)激光為355nm的連續(xù)激光，激發(fā)的熒光區(qū)域樣品5背面大于2*2mm；脈沖激光為355nm的脈沖激光，其輻照區(qū)域在樣品5背面大于2*2mm，脈沖激光的調(diào)制度低于1.5；所述顯微成像系統(tǒng)11包括依次設(shè)置的成像鏡頭、高通濾波器和ccd，所述成像鏡頭為高倍率成像鏡頭，所述高通濾波器與激發(fā)光源波長匹配；顯微成像系統(tǒng)11正對樣品5被照射部位。

一種無損評價光學(xué)元件損傷性能的方法具體如下：

（1）構(gòu)建上述光路系統(tǒng)；

（2）選取多塊同類型光學(xué)元件樣品5，將其中一塊安裝在樣品臺上，啟動連續(xù)激光器1在樣品5背面激發(fā)熒光，并調(diào)整其激發(fā)激光功率至熒光能被顯微成像系統(tǒng)11清晰探測到；本實施例中，所述光學(xué)元件樣品5為精拋光熔石英；

利用顯微成像系統(tǒng)11對熒光區(qū)域成像，熒光區(qū)域大于且完全覆蓋成像區(qū)域，獲得成像區(qū)域內(nèi)的熒光缺陷分布圖像，分析得出熒光缺陷數(shù)據(jù)，所述熒光缺陷數(shù)據(jù)為熒光缺陷面積占成像區(qū)域面積的百分比；

關(guān)閉連續(xù)激光器1，啟動脈沖激光器6在樣品5背面形成輻照區(qū)域，所述輻照區(qū)域大于且完全覆蓋成像區(qū)域；

由于光學(xué)缺陷不同且非常微小，所以熒光缺陷形狀大小不同，且僅占據(jù)成像區(qū)域很小的范圍，為了精確，我們需要使熒光區(qū)域大于且完全覆蓋成像區(qū)域；

（3）移動樣品臺，在樣品5背面形成數(shù)個互不重疊的輻照區(qū)域，通過顯微成像系統(tǒng)11監(jiān)控樣品5是否發(fā)生損傷，測試該區(qū)域的損傷閾值，具體方法為：從低能量開始輻照，以一定的能量間隔提升輻照能量，每個能量輻照1發(fā)次，輻照過程中監(jiān)控光學(xué)元件被輻照位置的損傷情況，直至發(fā)生損傷停止輻照，記錄下引發(fā)損傷的激光能量，通過計算獲得該位置的損傷閾值；

（4）移動樣品臺，在樣品5背面形成數(shù)個互不重疊的輻照區(qū)域，通過顯微成像系統(tǒng)11監(jiān)控樣品5上的損傷點分布情況，獲得輻照區(qū)中成像區(qū)域的損傷密度，且步驟（4）和步驟（3）的輻照區(qū)域我們可以各選10，且互不重疊；具體方法為：在光斑區(qū)域內(nèi)，通過顯微成像系統(tǒng)11對熒光缺陷成像，獲得熒光缺陷數(shù)據(jù)，選擇五個不同的能引發(fā)損傷的激光通量進(jìn)行輻照，且輻照過程中固定激光輸出能量，統(tǒng)計每個通量下的成像圖像總面積和損傷點個數(shù)，以獲得損傷密度。

（5）更換樣品5，重復(fù)步驟（2）-（4），獲得多個樣品5的損傷閾值和損傷密度數(shù)據(jù)，將熒光缺陷數(shù)據(jù)與損傷閾值和損傷密度作相關(guān)性分析，獲得熒光缺陷密度與光學(xué)元件損傷閾值和損傷密度的關(guān)系曲線圖；

（6）選取與光學(xué)元件樣品5同類型的待測樣品5，測試其熒光缺陷數(shù)據(jù)，并根據(jù)步驟（4）的關(guān)系曲線圖，推算出其損傷閾值和損傷密度。

通過以上方法，我們可以通過無損檢測光學(xué)元件的熒光缺陷獲得光學(xué)元件的損傷性能水平，實現(xiàn)光學(xué)元件損傷性能的無損評價。

參見圖2：我們可以通過測試得到的熒光缺陷面積占成像區(qū)域面積的百分比，譬如說0.4%，預(yù)見光學(xué)元件損傷閾值為9j/cm2，損傷密度為每平方厘米一個點以下。