專利名稱：一種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)材料激光預(yù)處理領(lǐng)域，具體是ー種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理方法及裝置。
背景技術(shù)：
在強(qiáng)激光及其應(yīng)用過程中，光學(xué)元件的吸收特性、缺陷分布及其抗損傷能力等都是系統(tǒng)能否正常運行的重要因素。在目前的技術(shù)條件下，對普通エ業(yè)應(yīng)用的激光元件及系統(tǒng)，通常都是通過改進(jìn)光學(xué)元件的加工エ藝來提高光學(xué)元件的光學(xué)性能包括抗激光破壞能 力。但是隨著各種應(yīng)用對激光輸出能量或功率水平要求的提高，僅僅從傳統(tǒng)的加工方法和エ藝上來進(jìn)行改進(jìn)在技術(shù)上已經(jīng)變得越來越困難，并且成本昂貴。在ー些特殊應(yīng)用中，如建立超大型強(qiáng)激光系統(tǒng)并且開發(fā)其應(yīng)用，采用傳統(tǒng)的加工方法和エ藝已經(jīng)難以滿足技術(shù)要求。通過激光預(yù)處理來提高光學(xué)元件的光學(xué)性能及其激光損傷閾值是ー種行之有效的方法。激光預(yù)處理技術(shù)通常是采用功率密度或能量密度略低于光學(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)處理過程能夠有效清除光學(xué)元件表面的污染和表面、亞表面缺陷，從而提高元件的激光損傷閾值。一般在激光預(yù)處理過程中，為了達(dá)到更好的處理效果，需要采用強(qiáng)度依次増加的激光束對樣品進(jìn)行多次輻照處理，并且根據(jù)具體元件情況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。這樣ー來，利用普通エ業(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。超大型強(qiáng)激光系統(tǒng)中常用的透明光學(xué)元件主要有熔融石英(Fused Silica)、KDP晶體等。實際使用中，為了增加激光的透射率，會在元件的表面鍍上增透膜。這樣ー來，元件表面污染、薄膜內(nèi)的缺陷、薄膜下的基板表面和亞表面缺陷、基板材料體內(nèi)缺陷等，都是潛在的降低元件激光損傷閾值的因素。因此根據(jù)具體的情況，有時需要對表面、亞表面、以及整個元件的通光體積都進(jìn)行激光預(yù)處理。由于以上原因，激光預(yù)處理工藝通常既費時又昂貴，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，變得幾乎不切實際。目前可見的文獻(xiàn)報道和專利中所采用的預(yù)處理方法通常都是把處理激光束聚焦到樣品表面，對樣品表面進(jìn)行逐點掃描。以ー個口徑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時約7個小吋。如果エ藝要求在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時35個小時。如果把兀件兩個表面都處理完畢,直接掃描時間將費時70小吋。這通常還只是僅針對表面的預(yù)處理過程。如果要進(jìn)行材料體內(nèi)處理，耗時將會更長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供ー種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理方法及裝置，解決利用激光預(yù)處理技術(shù)提高大口徑光學(xué)元件激光損傷閾值過程中因為耗時過長而不能滿足實際使用要求的問題，本發(fā)明對激光能量進(jìn)行回收重復(fù)利用，并且同時對光學(xué)元件前表面、后表面及體內(nèi)特性進(jìn)行多次輻照的并行處理，從而能夠大幅提高激光預(yù)處理的速度。本發(fā)明的技術(shù)方案為
ー種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理方法，包括以下步驟
(I )、首先相對透明光學(xué)元件的表面設(shè)置ー組前反射裝置，相對透明光學(xué)元件的背面設(shè)置ー組后反射裝置；
(2)、將預(yù)處理激光光束入射到透明光學(xué)元件表面的處理點I進(jìn)行輻照預(yù)處理，預(yù)處理激光光束穿透待處理樣品后從待處理樣品背面的處理點I’出射，出射后的激光光束經(jīng)后反射裝置反射后再次照射到被處理樣品背面上的處理點2’，并穿透待處理樣品后從待處理樣品表面的處理點2出射，出射后的激光光束再經(jīng)前反射裝置反射后再次照射到被處理樣品表面上的處理點3 ;如此類推，預(yù)處理激光光束經(jīng)前反射裝置和后反射裝置的相互反射作用，多次經(jīng)過光學(xué)元件，對透明光學(xué)元件表面的N個處理點、背面的N個處理點和透明光學(xué)元件內(nèi)部相應(yīng)的兩個處理點之間預(yù)處理光束經(jīng)過的區(qū)域均進(jìn)行了輻照預(yù)處理，其中，N > I。ー種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置，包括有相對透明光學(xué)元件表面設(shè)置的激光光源，相對透明光學(xué)元件表面設(shè)置的ー組前反射裝置和相對透明光學(xué)元件背面設(shè)置的ー組后反射裝置。所述的ー組前反射裝置是由多個前反射子裝置組成，每個前反射子裝置是由ー個或多個反射鏡或反射棱鏡組成；所述的ー組后反射裝置是由多個后反射子裝置組成，每個后反射子裝置是由ー個或多個反射鏡或反射棱鏡組成。所述的透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置還包括有依次設(shè)置于激光光源的后端和透明光學(xué)元件表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和光學(xué)分光楔板，光學(xué)分光楔板的第一反射輸出端后設(shè)置有CCD成像系統(tǒng)，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系統(tǒng)。所述的透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置還包括有相對透明光學(xué)元件表面或背面設(shè)置的激光光束吸收裝置。強(qiáng)激光系統(tǒng)中的透明光學(xué)元件，表面通常都會鍍上增透膜。見圖1，設(shè)定樣品正面和背面的透過率都為T ;前反射裝置11和后反射裝置12均由多個反射子裝置組成，每個反射子裝置可以是ー個或多個反射鏡組成，或是由反射棱鏡組成。以每個反射子裝置由兩面反射鏡組成為例，每面激光高反鏡的反射率都為R ;元件9本身為激光透明材料，對激光能量的吸收可以忽略不計。這樣，當(dāng)處理點I處的激光強(qiáng)度為I1,處理點I’處的激光強(qiáng)度為Ir =TI1，處理點2’處的光強(qiáng)為I2^T2R2I1，處理點2處的強(qiáng)度為I2=T3R2I1，依次類推，對元件上的處理點N和N’，若N為偶數(shù)，則處理點N和N’處的激光強(qiáng)度分別為In =T2mR2 cn^0I1和Ir = (TR)2^nI1 為奇數(shù)，則處理點N和N’處的激光強(qiáng)度分別為In =(TR)2 a^I1和In,=^N-1r2(N-1)1io假設(shè)透過率和反射率都為99. 95%，在處理點10處的激光強(qiáng)度為處理點I處的98. 2%，在處理點30處的激光強(qiáng)度為處理點I處的94. 3% ;假設(shè)透過率和反射率為99. 5%，在處理點10處的激光強(qiáng)度仍有處理點I處的83. 1%。實際應(yīng)用中N的大小決定于樣品透過率以及激光反射裝置的反射率，對于高透射率的光學(xué)元件，假設(shè)樣品但表面透過率和激光高反鏡的反射率都為99. 95%，則前述計算表明在N=30吋，該激光輻照點的激光強(qiáng)度還能達(dá)到初始處理點I處的94. 3%，滿足通常預(yù)處理激光系統(tǒng)對光強(qiáng)均勻性的要求。當(dāng)N=30時，激光預(yù)處理速度已經(jīng)提高到了普通方法的2N倍，即60倍。除此之外，在本發(fā)明中樣品體內(nèi)特性在掃描過程中也同時得到了處理。本發(fā)明的優(yōu)點 采用本發(fā)明所述的方法進(jìn)行激光預(yù)處理，當(dāng)樣品相對激光橫向一次掃描完成后，樣品9表面和背面上將同時形成N條已經(jīng)處理的光斑覆蓋區(qū)域(見圖2)。而普通的不采用能量回收的激光預(yù)處理裝置通常只聚焦在ー個表面，樣品相對激光橫向掃描一次完成后，激光只在樣品的ー個表面上形成一條已經(jīng)處理的光斑覆蓋區(qū)域。可見，采用本發(fā)明所述方法，可以使預(yù)處理的速度提高到普通方法的2N倍；除此之外，在本發(fā)明中樣品體內(nèi)特性在掃描過程中也同時得到了處理。


圖1是本發(fā)明的原理示意圖。圖2是本發(fā)明的處理后的透明光學(xué)元件表面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明具體實施方式
中透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式見圖3，ー種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置，包括有相對被處理的透明光學(xué)元件9表面設(shè)置的激光光源1，依次設(shè)置于激光光源I后端和透明光學(xué)元件9表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和光學(xué)分光楔板4，設(shè)置于光學(xué)分光楔板4第一反射輸出端后的CCD成像系統(tǒng)5,設(shè)置于光學(xué)分光楔板4第二反射輸出端后的分光裝置6，分別設(shè)置于分光裝置6兩分光輸出端后的激光能量測量系統(tǒng)7和光電探測器8，相對被處理的透明光學(xué)元件9表面設(shè)置的ー組前反射裝置11和相對透明光學(xué)元件9背面設(shè)置的ー組后反射裝置12，相對透明光學(xué)元件背面設(shè)置的激光光束吸收裝置13。ー種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理方法，包括以下步驟
(1)、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，激光能量調(diào)整控制裝置2和激光光束整形處理裝置3對施加在透明光學(xué)元件上的激光強(qiáng)度和光束形態(tài)進(jìn)行精確控制；
(2)、由激光光束整形處理裝置3出射的光束經(jīng)光學(xué)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；
(3)、第一束反射光束進(jìn)入CCD成像系統(tǒng)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，其中一束光進(jìn)入激光能量測量系統(tǒng)7，用來對激光光束的能量進(jìn)行監(jiān)測，另一束光則進(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；
(4)、透過光學(xué)分光楔板4的激光束入射到被處理的透明光學(xué)元件9表面的處理點I并透過樣品從樣品背面的處理點I’出射，這樣就對樣品表面的處理點I和I’以及兩點之間樣品內(nèi)部激光束經(jīng)過的區(qū)域都進(jìn)行了輻照預(yù)處理；然后從透明光學(xué)元件9背面處理點I，出射的激光光束經(jīng)過后反射裝置12反射后，照射到樣品背面的處理點2’并再次透過透明光學(xué)元件9，由透明光學(xué)元件9表面的處理點2出射，同樣的，激光光束對處理點2和2’以及兩點之間樣品內(nèi)部激光束經(jīng)過的區(qū)域也都進(jìn)行了輻照預(yù)處理，從透明光學(xué)元件9表面處理點2出射后的激光光束再經(jīng)前反射裝置11反射后再次照射到被處理樣品表面上的處理點3 ;如此類推，預(yù)處理激光光束經(jīng)前反射裝置和后反射裝置的相互反射作用，多次經(jīng)過被處理樣品，對被處理元件表面的N個處理點、背面的N個處理點和元件內(nèi)部相應(yīng)的兩個處理點之間預(yù)處理光束經(jīng)過的區(qū)域均進(jìn)行了輻照預(yù)處理，其中，N彡I ； (5)、經(jīng)過樣品背面第N’個處理點后的激光光束由激光吸收裝置13吸收。
權(quán)利要求
1.一種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理方法，其特征在于包括以下步驟 (I )、首先相對透明光學(xué)元件的表面設(shè)置一組前反射裝置，相對透明光學(xué)元件的背面設(shè)置一組后反射裝置； (2)、將預(yù)處理激光光束入射到透明光學(xué)元件表面的處理點I進(jìn)行輻照預(yù)處理，預(yù)處理激光光束穿透待處理樣品后從待處理樣品背面的處理點I’出射，出射后的激光光束經(jīng)后反射裝置反射后再次照射到被處理樣品背面上的處理點2’，并穿透待處理樣品后從待處理樣品表面的處理點2出射，出射后的激光光束經(jīng)前反射裝置反射后再次照射到被處理樣品表面上的處理點3 ;如此類推，預(yù)處理激光光束經(jīng)前反射裝置和后反射裝置的相互反射作用，多次經(jīng)過透明光學(xué)元件，對透明光學(xué)元件表面的N個處理點、背面的N個處理點和透明光學(xué)元件內(nèi)部相應(yīng)的兩個處理點之間預(yù)處理光束經(jīng)過的區(qū)域均進(jìn)行了輻照預(yù)處理，其中，N > I。
2.一種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置，包括有相對透明光學(xué)元件表面設(shè)置的激光光源，其特征在于還包括有相對透明光學(xué)元件表面設(shè)置的一組前反射裝置和相對透明光學(xué)元件背面設(shè)置的一組后反射裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置，其特征在于所述的一組前反射裝置是由多個前反射子裝置組成，每個前反射子裝置是由一個或多個反射鏡或反射棱鏡組成；所述的一組后反射裝置是由多個后反射子裝置組成，每個后反射子裝置是由一個或多個反射鏡或反射棱鏡組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置，其特征在于所述的透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置還包括有依次設(shè)置于激光光源的后端和透明光學(xué)元件表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和光學(xué)分光楔板，光學(xué)分光楔板的第一反射輸出端后設(shè)置有CCD成像系統(tǒng)，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系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置，其特征在于所述的透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理裝置還包括有相對透明光學(xué)元件表面或背面設(shè)置的激光光束吸收裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透明光學(xué)元件的快速激光預(yù)處理方法及裝置，具體是相對透明光學(xué)元件的表面和背面各設(shè)置一系列激光反射裝置，預(yù)處理激光光束入射到透明光學(xué)元件表面并穿透待處理樣品后從待處理樣品背面出射，出射后的激光光束經(jīng)后反射裝置反射后再次照射到被處理樣品背面上并穿透待處理樣品后從待處理樣品表面出射；如此類推，預(yù)處理激光光束經(jīng)前反射裝置和后反射裝置的相互反射作用，使預(yù)處理激光光束多次經(jīng)過透明光學(xué)元件，對元件的表面、背面和內(nèi)部均進(jìn)行并行的多次輻照預(yù)處理，從而大幅度提高透明光學(xué)元件激光預(yù)處理速度。本發(fā)明可以用于光學(xué)表面及亞表面缺陷修復(fù)、體內(nèi)特性激光處理等多個領(lǐng)域，特別適用于對大口徑透明光學(xué)元件進(jìn)行快速激光預(yù)處理以提高其抗激光破壞能力。
文檔編號B23K26/06GK103008879SQ20121054735
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者吳周令, 陳堅, 吳令奇 申請人:合肥知常光電科技有限公司