專利名稱：Kdp晶體高功率激光體損傷三維測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及KDP/DKDP晶體，是一種KDP/DKDP晶體高功率激光體損傷三維測量方
法。
背景技術(shù)：
在激光慣性約束核聚變大工程裝置中，大尺寸磷酸二氫鉀(PotassiumDihydrogen Phosphate，以下簡稱為 KDP)晶體以及磷酸二氘鉀(DeuteratedPotassium Dihydrogen Phosphate，簡稱為DKDP)晶體是目前國際上作為普克爾斯盒和倍頻轉(zhuǎn)換的唯一有效的高功率晶體材料。目前，KDP/DKDP晶體的激光損傷閾值遠(yuǎn)低于價鍵結(jié)構(gòu)理論計算獲得的理論激光損傷閾值，嚴(yán)重限制了激光輸出的能流密度和晶體使用壽命，因此，KDP/DKDP晶體激光損傷閾值成為制約慣性約束核聚變發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。KDP/DKDP的激光損傷閾值一直是激光慣性約束核聚變工程裝置研制中關(guān)注的焦點之一。作為高功率激光系統(tǒng)中能量輸出的關(guān)鍵的非線性晶體材料，到目前為止，高功率激光裝置的總體設(shè)計方案因KDP/DKDP 的激光損傷閾值較低而沒有較大的改進(jìn)和突破。如何將KDP/DKDP晶體的光損傷閾值提高到預(yù)期的高功率激光輸出水平是國內(nèi)外專家一直努力攻克的前沿性課題[請參閱文獻(xiàn)1 F. Rainer, F. P. DeMarco, M. C. Staggs, M. R. Kozlowski, L. J. Atherton, and L. Μ. Sheehan, "A historical perspective on fifteen years of laser damage thresholds atLLNL，，， Proc. SPIE 2114, pp. 9-24,1994.]。提高KDP/DKDP光損傷閾值問題，首先要研究清楚KDP/ DKDP晶體激光損傷的機理，因此國內(nèi)外專家相繼提出了多種探測激光損傷的研究手段。較為常用的是基于COKCharge-Coupled Device)探測的散射法，該方法主要用于對晶體中細(xì)微缺陷及光損傷中心的分布密度函數(shù)和外形輪廓有統(tǒng)計意義上的測量，能夠反映激光損傷的宏觀性能和光致吸收特性，是近年來美國能源部激光慣性約束核聚變工程裝置研發(fā)中心 (Lawrence Livermore NationalLaboratory，簡稱為LLNL)發(fā)展的較為成熟的體損傷檢測手段，請參閱下列文獻(xiàn)文獻(xiàn)2 :P. DeMange, R. A. Negres,C. W. Carr,H. B. Radousky,and S. G. Demos,"A new damage testing system for detailed evaluation of damagebehavior of bulk KDP and DKDP", Proc. SPIE 5647，pp.343-353，2005.文獻(xiàn) 3、P. DeMange, C. W. Carr, H. B. Radousky, and S. G. Demos, "Systemfor evaluation of laser-induced damage performance of optical materials forlarge aperture lasers，，，Rev. Sci. Instrum. , Vol. 75, pp. 3298-3301, 2004.文獻(xiàn) 4、P. DeMange, C. W. Carr, H. B. Radousky, and S. G. Demos, "Microscopic characterization of laser-induced damage performance oflarge-size KDP and DKDP nonlinear crystals, "Proc.SPIE 5647，pp.343-353，2005.文獻(xiàn) 5、P. DeMange, R. A. Negres, A. M. Rubenchik, H. B. Radousky, M. D. Feit, and S. G. Demos, "Understanding and predicting the damageperformance of KDxH2_xP04 crystals under simultaneous exposure to 532-and355-nm pulses",Appl. Phys. Lett.,89，181922，2006.]。其它檢測方法，如顯微鏡相襯法、掃描電鏡觀察法和等離子體閃光法等等也作為有效和補充方法從多種角度考察晶體激光損傷的特征。上述散射測量的方法只能從兩個角度描述有關(guān)光損傷的特性(1)統(tǒng)計意義上的密度分布函數(shù)；(2)數(shù)十微米量級的光損傷二維輪廓。上述現(xiàn)有技術(shù)是目前國際上較為系統(tǒng)的報告結(jié)果，對高功率激光裝置的總體設(shè)計和實際運行提供了一定的指導(dǎo)。但LLNL實驗室報道的文獻(xiàn)自身也一直在聲明，由于這種探測方案的宏觀統(tǒng)計特性，很難將探測到的實驗結(jié)果與光損傷的微觀機制聯(lián)系在一起。因此， 發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)微米量級激光損傷三維精細(xì)結(jié)構(gòu)的微觀測量技術(shù)將是深入研究光損傷機制的一個有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種KDP/DKDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法，是一種基于角度掃描的三維成像方法，該方法可重構(gòu)出晶體內(nèi)部體損傷的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種KDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法，該方法的實質(zhì)是將的待測的KDP 晶體置于數(shù)字全息干涉測量裝置的探測光路中，探測晶體內(nèi)體損傷的相位分布輪廓，即二維相位分布圖像；對待測晶體進(jìn)行角度掃描，對各角度采樣點下獲取的二維相位分布圖像的傅里葉變換進(jìn)行逆傅里葉變換重構(gòu)體損傷的三維相位分布形貌。體損傷在每一角度下的相位分布由顯微數(shù)字全息干涉測量獲得；對待測晶體進(jìn)行角度掃描，不同角度下的相位分布是體損傷三維相位分布傅里葉變換形式的分離采樣點； 對各角度掃描點獲得的采樣值傅里葉變換進(jìn)行逆傅里葉變換，即可重構(gòu)出晶體內(nèi)部體損傷的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明KDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法，利用數(shù)字全息干涉測量裝置進(jìn)行測量，該數(shù)字全息干涉測量裝置的構(gòu)成包括激光器、擴束準(zhǔn)直裝置、分光鏡、第一反射鏡、 第二反射鏡、合束鏡、透鏡、CCD探測器和計算機，上述部件的位置關(guān)系如下在該激光器的激光輸出方向設(shè)置擴束準(zhǔn)直裝置、分光鏡，該分光鏡將輸入的激光分為透射光和反射光，所述的透射光經(jīng)待測的晶體、第一反射鏡反射進(jìn)入合束鏡，所述的反射光經(jīng)第二反射鏡反射進(jìn)入所述的合束鏡，帶有待測晶體的信息的透射光和反射光經(jīng)合束鏡合束相干，再經(jīng)透鏡成像由CCD探測器探測并輸入所述的計算機，該計算機具有數(shù)字全息干涉測量處理軟件， 構(gòu)成數(shù)字全息干涉測量裝置，測量方法包括下列步驟①建立所述的數(shù)字全息干涉測量裝置，將光損傷前的待測KDP晶體置于所述的數(shù)字全息干涉測量裝置的測量光路中；②使待測的KDP晶體與所述的數(shù)字全息干涉測量裝置的探測光路成一定角度θ， 啟動所述的數(shù)字全息干涉測量裝置，所述的激光器輸出的激光經(jīng)擴束準(zhǔn)直裝置擴束準(zhǔn)直后進(jìn)入分光鏡，該分光鏡將輸入的激光分為透射光和反射光，所述的透射光經(jīng)待測的KDP晶體、第一反射鏡反射進(jìn)入合束鏡形成測量光路，所述的反射光經(jīng)第二反射鏡反射進(jìn)入合束鏡形成參考光，帶有待測晶體的信息的透射光和參考光經(jīng)合束鏡合束相干再經(jīng)透鏡成像 并由CCD探測器記錄待測KDP晶體內(nèi)體損傷的相位分布輪廓，即待測的KDP晶體的一幅二維相位分布圖像并存入計算機；③選定角度掃描的角度間隔Δ θ，不斷轉(zhuǎn)動待測的KDP晶體進(jìn)行角度掃描，重復(fù)步驟②獲得一系列不同角度下的二維相位分布圖像并存入計算機；④將光損傷后的KDP晶體置于所述的數(shù)字全息干涉測量裝置的測量光路中，重復(fù)步驟②和步驟③。⑤計算機對所述的同一角度下?lián)p傷前后的相位相減，得到一系列不同角度下相位差分布圖像的傅里葉變換，通過逆傅里葉變換重構(gòu)出待測的KDP晶體的體損傷的三維相位分布形貌。所述的角度掃描的角度間隔Δ θ取決于對KDP晶體的光損傷區(qū)的體損傷探測的最大深度Umax和探測的最小空間尺度Iax，即Δ θ Xmax/umax，角度掃描的角度范圍為π，采集的二維相位分布圖像總數(shù)為N0 ^ π/Δ θ ^ JiumaxZXiaxt5本發(fā)明的技術(shù)效果1、本發(fā)明方法的二維相位分布圖的分辨率主要取決于顯微成像光路中的放大倍率和CCD探測器件的像素尺寸，一般可在微米量級。2、上述再現(xiàn)出的信息是體損傷在任意角度下的二維相位分布圖，僅為體損傷三維相位分布在后續(xù)角度掃描采樣中的一個采樣點。轉(zhuǎn)動晶體進(jìn)行角度掃描，每一角度間隔內(nèi)重復(fù)上述全息干涉測量，再現(xiàn)出體損傷的二維相位分布。不同角度下的相位分布是體損傷三維相位分布傅里葉變換沿轉(zhuǎn)動軸方向的離散采樣點，對各角度掃描點獲得的采樣值的傅里葉變換進(jìn)行逆傅里葉變換，即可重構(gòu)出晶體內(nèi)部體損傷的三維結(jié)構(gòu)。該三維結(jié)構(gòu)在掃描方向的分辨率取決于角度采樣間隔的大小，當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)慕嵌炔蓸娱g隔并充分采樣后，可達(dá)到所需要的二維相位圖相當(dāng)?shù)目臻g分辨率。3、本發(fā)明重構(gòu)出晶體內(nèi)部體損傷的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)不但可以作為定性描述激光損傷特性的重要參數(shù)，還將成為關(guān)聯(lián)光損傷宏觀特征和微觀機制的關(guān)鍵環(huán)境，在探索KDP/ DKDP晶體激光損傷機理和提高光損傷閾值方面有重要應(yīng)用。


圖1是待測KDP在θ角度下相位分布投影示意圖。圖2是顯微數(shù)字全息干涉測量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是角度采樣間隔選擇原理圖。圖中1-入射光 2-光損傷區(qū) 3-待測KDP晶體 4_激光器 5_擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)6-分光鏡 7-第一反射鏡8-第二反射鏡9-合束鏡10-透鏡Il-CXD探測器 12-計算機
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的KDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法作進(jìn)一步具體說明。本發(fā)明KDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法，下面用數(shù)學(xué)語言來描述本發(fā)明方法
(1)在物體的截面上定義兩個坐標(biāo)系，如圖1所示，即①固定坐標(biāo)系，即X1和yi軸，與物體相對固定；②投影坐標(biāo)系，即χ和y軸，y方向沿投影方向(激光射線入射方向)，&軸相對于X軸轉(zhuǎn)動θ角，稱為投影(空間)坐標(biāo)系；(2)將待測KDP晶體3以θ角置于干涉光路的一個干涉臂中，如圖2所示，圖中該數(shù)字全息干涉測量裝置的構(gòu)成包括激光器4、擴束準(zhǔn)直裝置5、分光鏡6、第一反射鏡7、第二反射鏡8、合束鏡9、透鏡10、(XD探測器11和計算機12，各部件的位置關(guān)系如下在該激光器4的激光輸出方向設(shè)置擴束準(zhǔn)直裝置5、分光鏡6，該分光鏡6將輸入的激光分為透射光和反射光，所述的透射光經(jīng)待測的晶體3、第一反射鏡7反射進(jìn)入合束鏡9，所述的反射光經(jīng)第二反射鏡8反射進(jìn)入合束鏡9，帶有待測晶體3的信息的透射光和反射光經(jīng)合束鏡9合束相干，再經(jīng)透鏡10成像由CXD探測器11探測并輸入所述的計算機12，該計算機12具有數(shù)字全息干涉測量處理軟件；CCD探測器11記錄的數(shù)字全息圖光強分布為
權(quán)利要求
1.一種KDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法，采用數(shù)字全息干涉測量裝置進(jìn)行測量，該數(shù)字全息干涉測量裝置的構(gòu)成包括激光器G)、擴束準(zhǔn)直裝置(5)、分光鏡(6)、第一反射鏡(7)、第二反射鏡(8)、合束鏡(9)、透鏡(10)、CCD探測器(11)和計算機(12)，各部件的位置關(guān)系如下在該激光器(4)的激光輸出方向設(shè)置擴束準(zhǔn)直裝置( 、分光鏡(6)，該分光鏡(6)將輸入的激光分為透射光和反射光，所述的透射光經(jīng)待測的晶體(3)、第一反射鏡(7)反射進(jìn)入合束鏡(9)，所述的反射光經(jīng)第二反射鏡(8)反射進(jìn)入合束鏡(9)，帶有待測晶體C3)的信息的透射光和反射光經(jīng)合束鏡(9)合束相干，再經(jīng)透鏡(10)成像由CCD探測器(11)探測并輸入所述的計算機(12)，該計算機(1 具有數(shù)字全息干涉測量處理軟件； 其特征在于該方法包括下列步驟①將光損傷前的待測的KDP晶體置于所述的數(shù)字全息干涉測量裝置的測量光路中；②使待測的KDP晶體與所述的數(shù)字全息干涉測量裝置的探測光路成一定角度θ，啟動所述的數(shù)字全息干涉測量裝置，所述的激光器(4)輸出的激光經(jīng)擴束準(zhǔn)直裝置( 擴束準(zhǔn)直后進(jìn)入分光鏡(6)，該分光鏡(6)將輸入的激光分為透射光和反射光，所述的透射光經(jīng)待測的KDP晶體(3)、第一反射鏡(7)反射進(jìn)入合束鏡(9)形成測量光路，所述的反射光經(jīng)第二反射鏡(8)反射進(jìn)入合束鏡(9)形成參考光，帶有待測晶體(3)的信息的透射光和參考光經(jīng)合束鏡(9)合束相干再經(jīng)透鏡(10)成像并由CCD探測器(11)記錄待測KDP晶體內(nèi)體損傷的相位分布輪廓，即待測的KDP晶體的一幅二維相位分布圖像并存入計算機(12)；③選定角度掃描的角度間隔△θ，不斷轉(zhuǎn)動待測的KDP晶體進(jìn)行角度掃描，重復(fù)步驟 ②獲得一系列不同角度下的二維相位分布圖像并存入計算機(12)；④將光損傷后的KDP晶體置于所述的數(shù)字全息干涉測量裝置的測量光路中，重復(fù)步驟 ②和步驟⑧。⑤計算機(1 對所述的同一角度下?lián)p傷前后的相位相減，得到一系列不同角度下相位差分布圖像的傅里葉變換，通過逆傅里葉變換重構(gòu)出待測的KDP晶體的體損傷的三維相位分布形貌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的KDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法，其特征在于所述的角度掃描的角度間隔Δ θ取決于對KDP晶體的光損傷區(qū)的體損傷探測的最大深度Umax和探測的最小空間尺度Xmax，即Δ θ ^iaxAimax，角度掃描的角度范圍為π，采集的二維相位分布圖像總數(shù)為Ν0彡π/Δ θ JiumaxZXiaxt全文摘要
一種KDP晶體高功率激光體損傷三維測量方法，該方法的實質(zhì)是將的待測的KDP晶體置于數(shù)字全息干涉測量裝置的探測光路中，探測晶體內(nèi)體損傷的相位分布輪廓，即二維相位分布圖像；對待測晶體進(jìn)行角度掃描，對各角度采樣點下獲取的二維相位分布圖像的傅里葉變換進(jìn)行逆傅里葉變換重構(gòu)體損傷的三維相位分布形貌。該體損傷的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)不但可以作為定性描述激光損傷特性的重要參數(shù)，還將成為關(guān)聯(lián)光損傷宏觀特征和微觀機制的關(guān)鍵環(huán)境，在探索KDP/DKDP晶體激光損傷機理和提高光損傷閾值方面有重要應(yīng)用。
文檔編號G01N21/88GK102156133SQ20111005023
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者劉德安, 劉芳, 孫平平, 張燕, 張艷麗, 張雪潔 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所