CN112630983A - 一种激光系统、激光诱导损伤测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光系统，激光产生装置用于产生激光束并将激光束入射到光束控制装置，光束控制装置用于整形激光束以控制输出激光形成的光斑大小，汇聚装置用于将光束控制装置发射出的激光束汇聚而发射出。本发明的激光系统能够调节输出激光的聚焦光斑大小，能够应用于光学元件激光诱导损伤测试，有助于提高测试效率和测试准确度。本发明还公开了一种激光诱导损伤测试系统以及方法。

Description

一种激光系统、激光诱导损伤测试系统及方法

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，特别是涉及一种激光系统。本发明还涉及一种激光诱导损伤测试系统及方法。

背景技术

随着激光技术的发展，激光装置已经广泛应用于医疗、工业、科研等行业，与此同时对激光装置的输出能量的需求也日益增高，然而，伴随激光装置输出能量的不断提升，其中的各类光学元件的激光诱导损伤已经成为制约激光装置输出能量提升的最重要的因素之一。

光学元件损伤阈值的评价方法主要有ISO21254，该标准是通过对被测元件表面进行小光斑多点多能量辐照测试，并统计分析损伤概率曲线最终得到元件的损伤阈值。但是该测试方法的测试误差较大，无法准确地表征元件的损伤特性。

因此，目前在评价光学元件的损伤特性时采用在某一激光能量辐照下的损伤密度来表征，该方法通过对测试区域进行逐点扫描辐照，得到测试区域的损伤点密度，该损伤点密度能够较为直观地反映损伤前驱体的损伤情况，进而能够较为准确地表征元件的损伤特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光系统，能够应用于对光学元件的损伤特性测试，能够调节输出激光的光斑大小，有助于提高测试效率和测试准确度。本发明还提供一种激光诱导损伤测试系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光系统，包括激光产生装置、光束控制装置和汇聚装置，所述激光产生装置用于产生激光束并将激光束入射到所述光束控制装置，所述光束控制装置用于整形激光束以控制输出激光形成的光斑大小，所述汇聚装置用于将所述光束控制装置发射出的激光束汇聚而发射出。

优选的，所述光束控制装置包括凸透镜和凹透镜，所述光束控制装置具体用于通过改变相邻两个透镜之间的距离或者透镜与所述汇聚装置之间的距离以整形激光束。

优选的，还包括能量控制装置，用于调控激光束的能量。

优选的，还包括第一分光装置和光束质量监测装置，所述第一分光装置用于将所述汇聚装置发射出的激光束分出子光束，所述光束质量监测装置用于获取子光束的能量分布。

优选的，还包括第二分光装置和能量测量装置，所述第二分光装置用于将所述汇聚装置发射出的激光束分出子光束，所述能量测量装置用于测量子光束的能量大小。

优选的，根据以下公式获得激光束的能量分布数据：

其中

其中，M表示测得的激光束的相对能量分布，E表示测得的激光束的总能量，M′表示获得的激光束的实际能量分布数据。

一种激光诱导损伤测试系统，包括用于向测试元件表面投射出激光的激光系统，所述激光系统采用以上所述的激光系统。

一种激光诱导损伤测试方法，使用以上所述的激光系统，所述方法包括：

当激光产生装置输出激光时，获取测试元件上测试点的表面信息，并触发开启第一定时器；

当所述第一定时器设定时间结束，将所述测试元件的下一测试点向目标位置移动，并触发开启第二定时器；

当所述第二定时器设定时间结束，若所述测试元件的该下一测试点到达目标位置，则获取所述测试元件上该下一测试点的表面信息，并触发开启第三定时器。

优选的，当所述第二定时器设定时间结束，若所述测试元件的该下一测试点未到达目标位置，则阻挡所述激光系统产生的激光束投射到所述测试元件的该下一测试点。

优选的，包括：

对于测试元件上测试区域的每一测试点，根据本测试点被激光辐照前后的图像，获得本测试点对应的损伤形貌图像；

将所述测试区域的各个测试点对应的所述损伤形貌图像拼接；

根据拼接得到的图像获得所述测试区域的损伤测试结果。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种激光系统包括激光产生装置、光束控制装置和汇聚装置，激光产生装置用于产生激光束并将激光束入射到光束控制装置，光束控制装置用于整形激光束以控制输出激光形成的光斑大小，汇聚装置用于将光束控制装置发射出的激光束汇聚而发射出。本发明的激光系统能够调节输出激光的光斑大小，能够应用于对光学元件的损伤特性测试，有助于提高测试效率。

本发明提供的一种激光诱导损伤测试系统，能够达到上述有益效果。

本发明提供的一种激光诱导损伤测试方法，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光系统的示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种激光系统的示意图；

图3(a)和图3(b)分别为两种排布情况下凸透镜、凹透镜和汇聚装置的布置示意图；

图4为本发明实施例提供的一种激光诱导损伤测试方法的流程图；

图5为本发明又一实施例提供的一种激光诱导损伤测试方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的一种获得测试元件上测试区域的损伤测试结果的方法流程图；

图7为本发明实施例中对测试区域上测试点扫描的路径示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本实施例提供的一种激光系统的示意图，由图可看出，所述激光系统包括激光产生装置100、光束控制装置101和汇聚装置102，所述激光产生装置100用于产生激光束并将激光束入射到所述光束控制装置101，所述光束控制装置101用于整形激光束以控制输出激光形成的光斑大小，所述汇聚装置102用于将所述光束控制装置101发射出的激光束汇聚而发射出。

光束控制装置101用于整形激光束，从而能够控制激光系统输出激光所形成的光斑大小，使得本激光系统输出激光形成的光斑大小可调。本实施例的激光系统能够调节输出激光光斑大小，能够应用于对光学元件的损伤特性测试，能够根据测试需求调节输出激光光斑大小，有助于提高测试效率和测试准确度。

激光产生装置100可采用满足应用要求的各种激光器。

可选的，光束控制装置101可采用凸透镜和凹透镜，光束控制装置101具体用于通过改变相邻两个透镜之间的距离或者透镜与所述汇聚装置102之间的距离以整形激光束。在实际应用中，光束控制装置101可包括多个凸透镜，或者光束控制装置101包括多个凹透镜，或者光束控制装置101包括至少一个凸透镜以及至少一个凹透镜。

示例性的请参考图2，图2为又一实施例提供的一种激光系统的示意图，图2所示激光系统采用的光束控制装置101包括凸透镜103和凹透镜104，通过控制凸透镜103和凹透镜104之间的距离、凸透镜103与汇聚装置102之间的距离或者凹透镜104与汇聚装置102之间的距离，实现调控激光束的径向尺寸。请参考图3(a)和图3(b)，图3(a)和图3(b)分别为两种排布情况下凸透镜、凹透镜和汇聚装置的布置示意图，两种排布情况下凸透镜103与凹透镜104之间的距离不同，相应激光系统投射到测试元件表面的光斑大小不同。

优选的，激光系统还可包括用于承载凸透镜或者凹透镜的直线位移台，通过直线位移台带动凸透镜或者凹透镜移动。请参考图2所示，凸透镜103和凹透镜104分别设置在直线位移台105上，优选的，直线位移台105可采用高精度电动直线位移台，以保证对透镜位置移动的相对精度。

进一步的请参考图2，激光系统还包括设置在所述激光产生装置100和所述光束控制装置101之间光路上的滤波光学元件107和滤波孔108，所述滤波光学元件107用于将激光束汇聚到所述滤波孔108，所述滤波孔108用于阻挡激光束中高频波通过。通过滤波光学元件107和滤波孔108改善激光束的光束质量。

进一步优选的，激光系统还包括能量控制装置，用于调控激光束的能量，从而本激光系统能够调节输出激光的能量大小，以根据对测试元件的测试要求输出具有相应能量大小的激光，通过能量控制装置本激光系统能够提供激光能量台阶，来满足测试需求。请参考图2所示，能量控制装置106可设置在激光产生装置100和光束控制装置101之间光路上。

可选的，能量控制装置106可包括调制元件和分光元件，调制元件用于将激光束分解出振动方向相互正交的两振动分量，分光元件用于将激光束的两振动分量分离为两束光，从而实现调控激光束的能量大小。调制元件可采用但不限于1/4波片，分光元件可采用但不限于偏振分光棱镜。可通过转动调制元件使入射激光的偏振方向与调制元件的光轴的夹角改变，来实现调控出射激光的能量大小。比如可将调制元件固定在转台上，通过转台精确控制调制元件的转动角度，达到精确控制能量衰减的目的。

可选的请参考图2，激光系统还可包括用于允许或者阻断激光束通过的快门109。本激光系统可通过快门109控制激光的输出以及控制激光的输出频率。

优选的，本实施例激光系统还可包括第一分光装置和光束质量监测装置，所述第一分光装置用于将所述汇聚装置发射出的激光束分出子光束，所述光束质量监测装置用于获取子光束的能量分布。请参考图2所示，第一分光装置110设置在汇聚装置102的出射光路上，第一分光装置110将部分激光反射到光束质量监测装置111的探测面。优选的，将光束质量监测装置111的探测面位置与测试元件表面的位置，相对于第一分光装置110共轭，以保证由光束质量监测装置111探测的光束质量与实际作用在测试元件表面上的光束质量一致。

优选的，本实施例激光系统还可包括第二分光装置和能量测量装置，所述第二分光装置用于将所述汇聚装置发射出的激光束分出子光束，所述能量测量装置用于测量子光束的能量大小。请参考图2所示，第二分光装置112设置在汇聚装置102的出射光路上，第二分光装置112将部分激光反射到能量测量装置113。优选的，第二分光装置112包括多种分光比例的分光镜，并可以通过受电脑控制的电动转轮114进行切换，针对不同的测试元件的测试激光能量范围不同，选择不同分光比例的分光镜，进而使能量测量装置113接收的激光能量始终在其量程内。

本实施例激光系统对激光能量空间分布的标定方法如下：根据以下公式获得激光束的能量分布数据：

其中

其中，M表示测得的激光束的相对能量分布，E表示测得的激光束的总能量，M′表示获得的激光束的实际能量分布数据。

在实际测试过程中，光束质量监测装置111由激光产生装置100的出光信号触发采样，采样获得的激光相对能量空间分布图结合能量测量装置113采样得到的激光总能量，最终得到激光实际能量的空间分布图。优选的，可以先对光束质量监测装置111采样获得的光束质量数据进行去背景，具体当m_ij<m_th时令m_ij＝0，其中m_th表示背景阈值。然后根据上述公式，根据去背景后的光束质量数据计算得到实际能量分布数据。

相应的，本实施例还提供一种激光诱导损伤测试系统，包括用于向测试元件表面投射出激光的激光系统，所述激光系统采用以上所述的激光系统。

本实施例的激光诱导损伤测试系统采用的激光系统，能够调节输出激光光斑大小，能够根据测试需求调节输出激光光斑大小，有助于提高测试效率和测试准确度。

进一步的请参考图2，本实施例的激光诱导损伤测试系统还包括获取装置115，用于获取所述测试元件118的表面信息，以获得对于所述测试元件118的测试结果。可选的，获取装置115可采用摄像装置，通过摄像装置获取测试元件的图像。摄像装置可使用具有放大倍率的远心镜头。

优选的，本实施例测试系统还可包括照明装置117，用于向测试元件118照明，以保证获取装置115能够获取到测试元件118清晰准确的表面信息。照明装置117优选采用面光源，能够提供均匀光强度的白光光源。

优选的，测试元件118的被测表面处于激光系统的焦平面上。可将测试元件118固定在位移台116上，通过位移台116驱动测试元件118移动，从而实现激光系统投射出的激光对测试元件118表面进行扫描测试。具体可采用二维位移台承载测试元件118，通过二维位移台能够控制测试元件118在焦平面内移动，使激光焦斑按照预设顺序依次地辐照测试元件118的整个测试区域。

进一步的，本发明实施例还提供一种激光诱导损伤测试方法，使用以上所述的激光系统。请参考图4，图4为本实施例提供的一种激光诱导损伤测试方法的流程图，由图可看出，所述激光诱导损伤测试方法包括以下步骤：

S200：当激光产生装置输出激光时，获取测试元件上测试点的表面信息，并触发开启第一定时器。

每一次测试以激光产生装置的出光信号为同步信号进行触发。第一定时器T1设定的时间用于获取测试元件上测试点的表面信息。当激光产生装置输出激光时，触发开启第一定时器T1，同时获取测试元件上测试点的表面信息。

S201：当所述第一定时器设定时间结束，将所述测试元件的下一测试点向目标位置移动，并触发开启第二定时器。

第二定时器T2设定的时间用于测试点的定位，若下一测试点需要调整激光能量，则第二定时器T2设定的时间用于测试点的定位以及能量控制装置的调整。

目标位置对应为激光系统投射出的激光辐照位置。当第一定时器T1设定时间结束时，触发开启第二定时器T2，同时通过位移台运动将测试元件的下一测试点向目标位置移动进行定位，以及调整能量控制装置。

S202：当所述第二定时器设定时间结束，判断所述测试元件的该下一测试点是否到达目标位置。若是，则进入步骤S203。

S203：获取所述测试元件上该下一测试点的表面信息，并触发开启第三定时器。

第三定时器T3设定的时间用于获取测试元件上测试点的表面信息，具体用于获取在激光辐照前测试元件上测试点的表面信息。若测试元件的该下一测试点到达目标位置，则触发开启第三定时器T3，同时获取测试元件上该下一测试点的表面信息。

当第三定时器T3设定时间结束，则完成一次激光辐照测试，进而可以立即转入下一次测试。

进一步优选的，请参考图5，本实施例方法中若步骤S202中判断所述测试元件的该下一测试点未到达目标位置，则进入步骤S204。

S204：阻挡所述激光系统产生的激光束投射到所述测试元件的该下一测试点。

当第二定时器T2设定时间结束，但测试元件的该下一测试点没有到达目标位置，则阻挡激光系统产生的激光束投射到测试元件上该下一测试点，以避免在测试元件移动中被激光辐照。在实际应用中，可通过关闭激光系统的快门来阻挡激光辐照。

S205：若所述测试元件的该下一测试点到达目标位置，则在下一第一定时器设定时间结束时，允许所述激光系统产生的激光束投射到所述测试元件的该下一测试点，并获取所述测试元件上该下一测试点的表面信息以及触发开启第三定时器。

在关闭快门后，当测试元件的该下一测试点到达目标位置时，则等待最近的下一第一定时器T1的设定时间结束后，打开快门以允许激光系统产生的激光束投射到测试元件的该下一测试点，并获取测试元件上该下一测试点的表面信息，同时触发第三定时器T3。

具体的，各个定时器的工作方式为单次模式，即定时器设定时间结束后自动关闭定时器。

本实施例的激光诱导损伤测试方法将激光产生装置输出激光的一个周期划分为三个时间段，在激光产生装置的一个出光周期内实现将测试元件的测试点移动到目标位置、激光辐照测试点以及获取测试点的表面信息，提高了测试效率。

进一步的本实施例方法中，可通过获取测试元件表面的图像，来获得测试元件的表面信息。可选的，可根据以下方法获得对测试元件上测试区域的激光损伤测试结果，请参考图6，图6为本实施例提供的一种获得测试元件上测试区域的激光损伤测试结果的方法流程图，包括以下步骤：

S300：对于测试元件上测试区域的每一测试点，根据本测试点被激光辐照前后的图像，获得本测试点对应的损伤形貌图像。

测试点对应的损伤形貌图像是指能够反映被激光辐照后测试点形貌相对于被激光辐照前形貌的变化的图像。可以将测试点被激光辐照前后的图像进行差分处理，进而获得测试点对应的损伤形貌图像。在实际应用中，可以通过对图像进行差分二值化处理。

S301：将所述测试区域的各个测试点对应的所述损伤形貌图像拼接。将测试区域各个测试点对应的损伤形貌图像拼接，得到整个测试区域包括各个测试点损伤形貌图像的图像。

S302：根据拼接得到的图像获得所述测试区域的损伤测试结果。

根据拼接得到的图像统计测试点的总数量以及损伤点的数量及形貌，进而得到损伤测试结果，比如得到损伤密度。

进一步优选的，对测试元件上测试点的扫描路径可以是栅状路径，且由下至上扫描，避免损伤点产生的破碎物对未测试点造成影响。请参考图7，图7为本实施例中对测试区域上测试点扫描的路径示意图，其中圆圈表示各个测试点，箭头表示扫描路线。

以上对本发明所提供的一种激光系统、激光诱导损伤测试系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光系统，其特征在于，包括激光产生装置、光束控制装置和汇聚装置，所述激光产生装置用于产生激光束并将激光束入射到所述光束控制装置，所述光束控制装置用于整形激光束以控制输出激光形成的光斑大小，所述汇聚装置用于将所述光束控制装置发射出的激光束汇聚而发射出。

2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述光束控制装置包括凸透镜和凹透镜，所述光束控制装置具体用于通过改变相邻两个透镜之间的距离或者透镜与所述汇聚装置之间的距离以整形激光束。

3.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，还包括能量控制装置，用于调控激光束的能量。

4.根据权利要求1-3任一项所述的激光系统，其特征在于，还包括第一分光装置和光束质量监测装置，所述第一分光装置用于将所述汇聚装置发射出的激光束分出子光束，所述光束质量监测装置用于获取子光束的能量分布。

5.根据权利要求1-3任一项所述的激光系统，其特征在于，还包括第二分光装置和能量测量装置，所述第二分光装置用于将所述汇聚装置发射出的激光束分出子光束，所述能量测量装置用于测量子光束的能量大小。

6.根据权利要求1-3任一项所述的激光系统，其特征在于，根据以下公式获得激光束的能量分布数据：

其中

其中，M表示测得的激光束的相对能量分布，E表示测得的激光束的总能量，M′表示获得的激光束的实际能量分布数据。

7.一种激光诱导损伤测试系统，其特征在于，包括用于向测试元件表面投射出激光的激光系统，所述激光系统采用权利要求1-6任一项所述的激光系统。

8.一种激光诱导损伤测试方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的激光系统，所述方法包括：

当激光产生装置输出激光时，获取测试元件上测试点的表面信息，并触发开启第一定时器；

当所述第一定时器设定时间结束，将所述测试元件的下一测试点向目标位置移动，并触发开启第二定时器；

当所述第二定时器设定时间结束，若所述测试元件的该下一测试点到达目标位置，则获取所述测试元件上该下一测试点的表面信息，并触发开启第三定时器。

9.根据权利要求8所述的激光诱导损伤测试方法，其特征在于，当所述第二定时器设定时间结束，若所述测试元件的该下一测试点未到达目标位置，则阻挡所述激光系统产生的激光束投射到所述测试元件的该下一测试点。

10.根据权利要求8所述的激光诱导损伤测试方法，其特征在于，包括：

对于测试元件上测试区域的每一测试点，根据本测试点被激光辐照前后的图像，获得本测试点对应的损伤形貌图像；

将所述测试区域的各个测试点对应的所述损伤形貌图像拼接；

根据拼接得到的图像获得所述测试区域的损伤测试结果。

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