專利名稱：一種光學(xué)元件吸收損耗測量的數(shù)據(jù)處理改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件測試領(lǐng)域，尤其是一種用于光學(xué)元件吸收損耗測量的激光量 熱技術(shù)中數(shù)據(jù)處理的改進(jìn)和優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
在大型激光器及其應(yīng)用系統(tǒng)中，使用了大量的薄膜光學(xué)元件，特別是反射光學(xué)元 件。由于薄膜吸收的存在，使得薄膜光學(xué)元件在使用時(shí)由于激光束照射引起內(nèi)部溫度上升， 導(dǎo)致光學(xué)元件表面熱畸變，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生光學(xué)元件災(zāi)難性破壞。吸收損耗直接決定了光學(xué) 元件損傷閾值，限制了激光器和激光系統(tǒng)所能承載的功率或能量；同時(shí)由于吸收損耗引起 的光學(xué)元件表面熱變形會導(dǎo)致激光光束質(zhì)量變差，甚至整個(gè)系統(tǒng)崩潰。而準(zhǔn)確測量光學(xué)元 件的吸收損耗是通過優(yōu)化鍍膜設(shè)計(jì)和工藝降低光學(xué)元件吸收損耗，提高光學(xué)元件性能的前 提。從國內(nèi)外技術(shù)查新和文獻(xiàn)檢索的情況看，現(xiàn)有的光學(xué)元件吸收損耗測量方法有(1)激光量熱方法激光量熱技術(shù)是目前用于測量光學(xué)元件吸收損耗的國際標(biāo)準(zhǔn)(IS011551 2003 (E) -Test method for absorptance of optical laser components)，并且已被廣泛 應(yīng)用在從深紫外到紅外波段光學(xué)元件的吸收損耗測試。其優(yōu)點(diǎn)是能直接測量吸收損耗的絕 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33 823 (2006))，且裝置簡單，調(diào)節(jié)方便。缺點(diǎn)是響應(yīng) 時(shí)間慢，光照時(shí)間長，所測結(jié)果反映的僅是光照時(shí)間內(nèi)吸收損耗的平均值，時(shí)間分辨率低。(2)光熱測量方法光熱方法是測量光學(xué)薄膜元件吸收損耗的一種有效方法，與時(shí)域調(diào)制和鎖相 測量技術(shù)結(jié)合時(shí)具有極高的測量靈敏度。例如R. Chow等人(R. Chow, J. R. Taylor, and Ζ.L.Zhou.Absorptance behavior of optical coatings for high-average-power laserapplication，Appl. Opt. 39,650-658(2000))利用熱透鏡技術(shù)測量了不同鍍膜工藝下 樣品最小3ppm的吸收損耗值。光熱方法包括表面熱透鏡技術(shù)、光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)等。光熱偏轉(zhuǎn) 技術(shù)中要求探測光束直徑小于激勵(lì)光束，使得光路調(diào)節(jié)困難，而信號重復(fù)性對光路調(diào)節(jié)非 常敏感，因此在實(shí)際應(yīng)用中測量重復(fù)性差、測量誤差大。表面熱透鏡技術(shù)雖然保持了光熱偏 轉(zhuǎn)技術(shù)的高探測靈敏度，光路調(diào)節(jié)也較光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但該方法需要對實(shí)驗(yàn)構(gòu) 型進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。與激光量熱法測量絕對吸收損耗相比，光熱技術(shù)存在光熱信號的絕對定 標(biāo)困難和實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)困難等缺點(diǎn)。因此光熱技術(shù)一般都是用來測量光學(xué)元件高分 辨率吸收成像。在目前測量光學(xué)元件吸收損耗的國際標(biāo)準(zhǔn)IS011551中，激光量熱裝置中 溫度探測位置是根據(jù)文獻(xiàn) U. ffillamowski, D. Ristau, E. ffelsch, "Measuring the absoluteabsorptance of optical laser components”Appl. Opt. 37 :8362-8370 (1998)提 出的簡化溫度模型確定的。該模型忽略了待測光學(xué)元件軸向(也即深度ζ方向)溫度梯度分布的影響?；诖藴囟饶Ｐ偷臄?shù)值模擬得到了對于直徑25mm的光學(xué)元件，采用均勻溫度 模型進(jìn)行擬合時(shí)最佳溫度探測位置為距離光學(xué)元件中心(即加熱激光束照射位置)7mm的 徑向位置。由于忽略了軸向溫度梯度分布，簡化溫度模型中的溫升分布僅是徑向位置r和 時(shí)間t的函數(shù)，不能明確7mm的位置是前表面(加熱激光束照射的表面)或者后表面。并 且對于不同尺寸的光學(xué)元件，在現(xiàn)有激光量熱裝置中溫度傳感器都固定在7mm的徑向位置 處。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，對于熱導(dǎo)率較小、非25mm直徑大小的光學(xué)元件，將溫度傳感器固定 在7mm處會引入較大的吸收損耗測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有吸收損耗測量方法的不足，提供一種光學(xué)元件 吸收損耗測量的數(shù)據(jù)處理方法，以實(shí)現(xiàn)更精確測量光學(xué)元件吸收損耗的目的。本發(fā)明的技術(shù)解決方案的原理激光量熱技術(shù)中提高光學(xué)元件吸收損耗測量準(zhǔn)確 度的方法，一束連續(xù)的較高功率激光束(加熱激光束，功率0.1W-100W)經(jīng)透鏡聚焦后近垂 直入射到一放置在絕熱樣品室內(nèi)的待測光學(xué)元件表面中心附近位置，待測光學(xué)元件因吸收 加熱激光束能量導(dǎo)致溫度上升。用一種更為精確的理論溫度模型來描述樣品因受激光照 射所引起的溫升分布ΔΤΟ·，z, t)。通過待測光學(xué)元件樣品面上不同位置(即r坐標(biāo)值) 溫升的數(shù)值模擬，得到待測光學(xué)元件樣品所對應(yīng)的最佳溫度探測位置。將一高靈敏溫度測 量元件的測量位置調(diào)至此最佳溫度探測位置，并直接接觸待測光學(xué)元件表面測量其溫度變 化；根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IS011551所規(guī)定的測量過程，記錄待測光學(xué)元件由于吸收加熱激光束能 量所引起的溫度變化，包括激光照射前、照射過程、以及照射后(冷卻過程)光學(xué)元件的溫 度變化信號Δ T (t)，將實(shí)驗(yàn)所測量得到的溫度信號AT(t)擬合到國際標(biāo)準(zhǔn)IS011551中所 描述的均勻溫度模型所表示的加熱激光束照射前、照射過程、以及照射后光學(xué)元件的理論 溫度變化曲線Δ T (t)，得到待測光學(xué)元件的吸收損耗值。具體的實(shí)現(xiàn)步驟(1)連續(xù)的加熱激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射在待測光學(xué)元件表面，光學(xué)元件因吸收 入射激光束能量，引起光學(xué)元件內(nèi)溫度上升，進(jìn)而形成樣品內(nèi)溫度梯度分布；(2)通過建立精確溫度理論模型能夠準(zhǔn)確刻畫光學(xué)元件因受加熱激光照射所引 起的溫升分布，并且基于此精確溫度模型的數(shù)值模擬確定待測光學(xué)元件的最佳溫度探測位 置；(3)將高靈敏度溫度探測元件調(diào)至最佳溫度探測位置處，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IS011551 所規(guī)定的測量過程測量待測光學(xué)元件在激光照射前、照射過程中以及照射后的溫度變化；(4)再利用國際標(biāo)準(zhǔn)IS011551中所描述的均勻溫度模型擬合所測溫度數(shù)據(jù)得到 待測光學(xué)元件的吸收損耗絕對值。所述的精確溫度模型中的加熱激光束可以是高斯光束或者平頂光束。所述的精確溫度模型所表示的溫升分布適用于常見圓柱型光學(xué)元件，并且該溫升 分布表達(dá)式是空間坐標(biāo)r、ζ以及時(shí)間t的函數(shù)，其中r、ζ分別表示徑向和深度方向位置坐 標(biāo)。其具體的溫升分布為一束加熱光斑半徑為a的高斯激光束照射在半徑為b，厚度為d的圓柱型光學(xué)元件 上，光學(xué)元件內(nèi)的溫升分布為
權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)元件吸收損耗測量的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)連續(xù)加熱激光束經(jīng)透鏡聚焦后入射在待測光學(xué)元件表面，所述光學(xué)元件因吸收入 射激光束能量，引起光學(xué)元件內(nèi)溫度梯度分布；(2)建立精確理論溫度模型準(zhǔn)確描述所述光學(xué)元件因受激光照射所引起的溫升分布， 并且基于此精確溫度模型的數(shù)值模擬確定待測光學(xué)元件的最佳溫度探測位置；所述建立的精確溫度模型為一光斑半徑為a的加熱激光束照射在半徑為b，厚度為d 的圓柱型光學(xué)元件表面，引起溫升分布模型為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件吸收損耗測量的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于所述 的精確理論溫度模型中的加熱激光束是高斯光束或者平頂光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件吸收損耗測量的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于所述 的用于擬合的均勻溫度理論模型是在假設(shè)待測光學(xué)元件樣品熱導(dǎo)率為無窮大時(shí)的溫升分 布，其溫升分布表達(dá)式僅是時(shí)間t的函數(shù)，具體的溫升分布模型為
全文摘要
一種光學(xué)元件吸收損耗測量的數(shù)據(jù)處理改進(jìn)方法，連續(xù)激勵(lì)光束經(jīng)透鏡聚焦后照射光學(xué)元件表面，光學(xué)元件因吸收入射激光束能量引起內(nèi)部溫度上升。通過建立一種更能真實(shí)反映光學(xué)元件所處物理實(shí)際的精確溫度模型，基于此精確溫度模型，通過對一定尺寸不同熱物理性質(zhì)光學(xué)元件不同位置溫升的數(shù)值模擬，得到不同于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11551所采用的最佳溫度探測位置。再將溫度傳感器調(diào)至此最佳溫度探測位置測量光學(xué)元件表面的溫度數(shù)據(jù)，將測量得到的溫度數(shù)據(jù)擬合到國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11551中所采用的均勻溫度模型得到樣品的吸收損耗值。與現(xiàn)有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11551采用固定溫度探測位置相比較，本發(fā)明提出針對不同待測光學(xué)元件尺寸和熱物理參數(shù)，采用位置可調(diào)的溫度傳感器以實(shí)現(xiàn)更精確測量光學(xué)元件吸收損耗的目的。
文檔編號G01N25/20GK102053006SQ201010535210
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者李斌成, 王艷茹, 高衛(wèi)東 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所