本發(fā)明屬于高功率激光，具體涉及一種激光熱力效應(yīng)及光束質(zhì)量測(cè)量的一體化測(cè)量裝置及其方法，特別適用于受高功率激光器輻照的光學(xué)元件。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代光學(xué)和激光技術(shù)的發(fā)展，激光光學(xué)元件的性能要求越來(lái)越高。在高功率激光束照射下，光學(xué)系統(tǒng)中的激光光學(xué)元件表面的薄膜和基底材料會(huì)吸收部分激光能量并轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致薄膜溫度升高，元件會(huì)因熱效應(yīng)產(chǎn)生面形畸變，以及熱致折射率梯度的微小變化，共同作用于激光束的波前，影響了強(qiáng)激光系統(tǒng)光束輸出的質(zhì)量及其光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在高功率激光系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中，準(zhǔn)確測(cè)量光學(xué)元件的熱力效應(yīng)和光束質(zhì)量，對(duì)于評(píng)估和改進(jìn)光學(xué)元件的性能至關(guān)重要。

2、一些研究者基于熱傳導(dǎo)和熱彈性場(chǎng)理論，通過(guò)有限差分和有限元方法仿真計(jì)算不同激光參數(shù)照射下薄膜元件的溫度場(chǎng)和熱畸變(王天明等高功率激光作用下光學(xué)元件非線性熱效應(yīng)研究，激光技術(shù)，2022，vo1.46)，并通過(guò)對(duì)熱畸變面形的澤尼克分解推算其對(duì)光束傳輸質(zhì)量因子的影響(韓開(kāi)等高功率激光器腔鏡熱變形對(duì)輸出光束質(zhì)量的影響，強(qiáng)激光與粒子束，2013，vol.4)。然而，由于薄膜態(tài)材料的熱力參數(shù)和熱致光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)并不完備，仿真計(jì)算僅能得到解析解，幫助確定定性的規(guī)律性結(jié)論，而要得到量化的、準(zhǔn)確的結(jié)果十分困難。因此，為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和結(jié)論，實(shí)驗(yàn)測(cè)試成為確定這些參數(shù)的關(guān)鍵手段。

3、傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)往往采用分離的設(shè)備分別測(cè)量溫度場(chǎng)、熱畸變和光束質(zhì)量，這使得難以獲得同一激光輻照條件下的性能規(guī)律。溫度場(chǎng)的測(cè)量依賴(lài)于接觸式溫度傳感器或紅外熱像儀，其中接觸式溫度傳感器操作復(fù)雜，對(duì)樣品要求較為繁瑣，且精度有限。熱畸變的測(cè)量通常采用干涉法實(shí)現(xiàn)，光束質(zhì)量的測(cè)量通常采用ccd對(duì)二維光斑強(qiáng)度分布進(jìn)行采集并計(jì)算。

4、之前中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所劉佳等人提出了固體激光器動(dòng)態(tài)熱畸變的干涉測(cè)量裝置(申請(qǐng)?zhí)?200610029257,公開(kāi)號(hào):1888839)，該裝置使用干涉法測(cè)量固體激光器中增益介質(zhì)在高功率激光作用下的熱畸變，然而其高功率激光器與干涉測(cè)量光路處于同一空間內(nèi)，未避免激光器運(yùn)行過(guò)程中的熱干擾對(duì)干涉測(cè)量精度的影響。核工業(yè)理化工程研究院劉麗娜等人提出了偏振分束鏡熱畸變的測(cè)量裝置及測(cè)量方法(申請(qǐng)?zhí)?201210466875,公開(kāi)號(hào):102967445)，提供了一種使用干涉法測(cè)量偏振分束鏡熱畸變的裝置和方法并通過(guò)隔離熱源和測(cè)試環(huán)境提升了測(cè)試穩(wěn)定性，但未涵蓋溫度場(chǎng)和光束質(zhì)量的同步一體化測(cè)量，這限制了其在元件和光學(xué)系統(tǒng)性能優(yōu)化方面的應(yīng)用。

5、現(xiàn)有技術(shù)仍存在一定的局限性，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光學(xué)元件的熱力效應(yīng)和光束質(zhì)量的動(dòng)態(tài)、多參數(shù)同步測(cè)量。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠集溫度場(chǎng)、熱畸變和光束質(zhì)量測(cè)量于一體的綜合測(cè)量裝置與方法，對(duì)于推動(dòng)高功率激光技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性，本發(fā)明提出了一種新型的集成化測(cè)量裝置，該裝置能夠同步測(cè)量溫度場(chǎng)、熱畸變和激光光束質(zhì)量，并且適用于不同激光輻照條件以及透反射多類(lèi)多尺寸光學(xué)元件。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案包括：一種光學(xué)元件激光熱力效應(yīng)及光束質(zhì)量一體化測(cè)量裝置與方法，它由泵浦激光器、實(shí)時(shí)功率監(jiān)測(cè)模塊(包括分束鏡、光電探測(cè)器)、傳能光纖、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組、反射鏡(包括第一反射鏡、第二反射鏡)、合束鏡、分束鏡(包括第一分束鏡、第二分束鏡)、50％分束鏡、單色濾光片(包括第一單色濾光片、第二單色濾光片)、縮束準(zhǔn)直透鏡組、ccd相機(jī)、紅外熱像儀、黑體輻射校準(zhǔn)模塊、斐索干涉儀(包括氦氖激光器、ccd相機(jī)、計(jì)算機(jī))、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、可變光闌，以及吸收池(包括第一吸收池、第二吸收池)組成。

3、泵浦激光器發(fā)射的激光為泵浦光源，其受到實(shí)時(shí)功率監(jiān)測(cè)模塊反饋調(diào)控，輸出的穩(wěn)定激光光束經(jīng)過(guò)傳能光纖傳輸后通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組擴(kuò)束為一定直徑的光斑，經(jīng)由第一反射鏡和合束鏡反射以一定入射角度(0～45°)照射到待測(cè)透射樣品表面，經(jīng)樣品表面吸收形成熱場(chǎng)和畸變場(chǎng)。從樣品出射后經(jīng)50％分束鏡和兩片分束鏡入射到吸收池中被吸收，不對(duì)測(cè)試光路形成干擾。

4、斐索干涉儀中的氦氖激光為測(cè)試光源，其光學(xué)性能優(yōu)異、穩(wěn)定性高，光強(qiáng)較低，與泵浦激光波長(zhǎng)存在幾十納米到百納米的間隔，適合作為測(cè)試光源。氦氖激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過(guò)可變光闌調(diào)整成與泵浦光源尺寸較為接近的光斑大小，再經(jīng)過(guò)第二單色濾光片和合束鏡與泵浦激光器的激光光束在空間上合成為一束，并以相同角度照射到待測(cè)透射樣品表面。

5、測(cè)試光源照射樣品后透射而出，經(jīng)過(guò)50％分束鏡分為兩路。其中一路經(jīng)過(guò)第一分束鏡透射到后端縮束準(zhǔn)直鏡組和單色濾光片進(jìn)入到ccd相機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)光斑采集，經(jīng)計(jì)算得到激光光束的m2值；另一路經(jīng)過(guò)第二分束鏡透射到后端平面標(biāo)準(zhǔn)鏡后折返回斐索干涉儀形成干涉圖像，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析得到熱畸變值。同時(shí)，將紅外熱像儀固定在樣品受激光照射一端，經(jīng)黑體輻射校準(zhǔn)模塊標(biāo)定與校準(zhǔn)后，對(duì)樣品受照射區(qū)域進(jìn)行熱成像分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品表面的溫度分布。

6、本發(fā)明的測(cè)量方法包括以下步驟：搭建測(cè)量裝置、進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)、實(shí)施同步測(cè)量、數(shù)據(jù)處理與分析。

7、i)搭建測(cè)量裝置：按照測(cè)量裝置圖安裝各元器件，并調(diào)整位置關(guān)系，使得泵浦激光器發(fā)出的激光耦合到能量光纖，再經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直整形鏡片組、反射鏡和合束鏡反射以一定角度照射到待測(cè)樣品表面中心位置；同時(shí)，使斐索干涉儀發(fā)出的測(cè)試光經(jīng)可變光闌、單色濾色片和合束鏡照射到樣品受激光照射區(qū)域，并可通過(guò)50％分束鏡、分束鏡和平面標(biāo)準(zhǔn)鏡與前序光路形成回路，到達(dá)干涉儀探測(cè)器。

8、ii)進(jìn)行測(cè)試條件調(diào)整與確認(rèn)：首先對(duì)泵浦激光器輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，使用實(shí)時(shí)功率監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試光束功率，標(biāo)定樣品需要的測(cè)試功率對(duì)應(yīng)的激光器可調(diào)參數(shù)，如電流等，便于后續(xù)調(diào)節(jié)，標(biāo)定后將泵浦激光器輸出激光耦合到光纖中擴(kuò)束準(zhǔn)直；接著對(duì)激光整形合束傳輸模塊進(jìn)行光路確認(rèn)，對(duì)整形模塊的校準(zhǔn)方式為使用軟邊光闌和高度尺確認(rèn)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)光斑大小和高度一致，對(duì)合束模塊的校準(zhǔn)方式為使用高度尺確認(rèn)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的光斑合束到同一位置，另外保證每一塊鏡子安裝時(shí)均使激光平直傳輸，尤其需確認(rèn)待測(cè)樣品放置位置的合束情況；然后使用黑體輻射校準(zhǔn)模塊對(duì)熱像儀進(jìn)行原位輻射率標(biāo)定與溫度場(chǎng)測(cè)量校準(zhǔn)，消除環(huán)境輻射干擾；最后通過(guò)調(diào)整圖像對(duì)比度、光圈、焦距、曝光時(shí)間等方法使干涉成像效果、ccd光斑成像效果和熱像儀成像效果達(dá)到最優(yōu)。

9、iii)無(wú)強(qiáng)光照射條件下空白狀態(tài)測(cè)量：將泵浦激光器調(diào)節(jié)至弱光準(zhǔn)備狀態(tài)，在光纖整形鏡片組前臨時(shí)放置擋光板，啟動(dòng)斐索干涉儀，將待測(cè)樣品放置到光路中樣品測(cè)試處，使氦氖激光光束照射到待測(cè)樣品，并按照光路傳輸形成回路，斐索干涉儀記錄待測(cè)樣品僅受氦氖激光照射過(guò)程中的干涉條紋圖樣，計(jì)算機(jī)對(duì)圖樣進(jìn)行處理得到靜態(tài)面形，同時(shí)ccd捕捉并計(jì)算無(wú)強(qiáng)光照射時(shí)氦氖激光通過(guò)待測(cè)樣品在后在遠(yuǎn)場(chǎng)的光束質(zhì)量，熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)強(qiáng)光照射時(shí)的待測(cè)樣品表面溫度場(chǎng)分布作為本底。

10、iv)實(shí)施同步測(cè)量：將擋光板取走，啟動(dòng)泵浦激光器至測(cè)試狀態(tài)，并同步開(kāi)啟相關(guān)測(cè)量模塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。在此步驟中，測(cè)試到的溫度場(chǎng)、面形和光束質(zhì)量均為在高功率泵浦激光照射下的數(shù)值，將其與前序中的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比處理，即可得到由泵浦激光引起的溫度變化、熱畸變和光束質(zhì)量劣化程度。

11、本發(fā)明提出的一體化測(cè)量裝置和方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量實(shí)時(shí)性好，集成度高，靈活度高，能夠同步實(shí)現(xiàn)在非接觸條件下對(duì)激光照射下的光學(xué)薄膜元件溫度場(chǎng)、熱畸變和遠(yuǎn)場(chǎng)光束能量分布的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的無(wú)損測(cè)量，適用于連續(xù)、單脈沖或重復(fù)脈沖激光照射的情況，可靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)透反射多類(lèi)多尺寸光學(xué)元件的激光熱力效應(yīng)和光束質(zhì)量的全面評(píng)估，可為激光器件的性能優(yōu)化和激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性提升提供重要的數(shù)據(jù)支持。此外，本發(fā)明的裝置和方法還具有高度的適應(yīng)性和靈活性，可以根據(jù)不同的研究和應(yīng)用需求調(diào)整測(cè)量參數(shù)，滿(mǎn)足不同類(lèi)型激光器和光學(xué)元件的測(cè)量要求。本發(fā)明的裝置和方法的測(cè)量精度可達(dá)到溫度測(cè)量誤差≤±0.2℃，熱形變測(cè)量誤差≤±10nm。