一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统
阅读说明：本技术 一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统 (Method and system for predicting laser damage performance of surface of optical element ) 是由 石兆华 王凤蕊 刘红婕 吴之清 邵婷 夏汉定 周晓燕 邓青华 孙来喜 黄进 叶鑫 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统,通过选取标准光学元件；获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性,得到不同吸收水平的缺陷密度；获取损伤性能；损伤性能包括损伤阈值和损伤密度；采用Spearman相关性分析法,确定标准光学元件的不同吸收水平的缺陷密度中与损伤性能相关性最高的缺陷密度,得到各所述损伤性能对应的缺陷密度,并建立损伤性能与其对应的缺陷密度之间的关联曲线,作为标准曲线；获取待检测光学元件的缺陷密度,根据所述标准曲线,确定所述待检测光学元件的损伤性能。本发明提供的预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统,能够在不损坏光学元件的基础上,提高光学元件损伤性能的评估准确性。(The invention relates to a method and a system for predicting laser damage performance of the surface of an optical element, wherein a standard optical element is selected; acquiring the distribution characteristics of the absorption defects of the standard optical element to obtain defect densities with different absorption levels; obtaining damage performance; the damage performance includes a damage threshold and a damage density; determining the defect density with the highest correlation with the damage performance in the defect densities of different absorption levels of the standard optical element by adopting a Spearman correlation analysis method to obtain the defect density corresponding to each damage performance, and establishing a correlation curve between the damage performance and the corresponding defect density as a standard curve; and acquiring the defect density of the optical element to be detected, and determining the damage performance of the optical element to be detected according to the standard curve. The method and the system for predicting the laser damage performance of the surface of the optical element can improve the evaluation accuracy of the damage performance of the optical element on the basis of not damaging the optical element.)
技术领域
本发明涉及光学元件表面激光损伤评估技术领域，特别是涉及一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统。
背景技术
大型高功率激光装置中大量使用各种高性能光学元件，如熔石英、K9、UBK7、硅片以及KDP晶体等光学元件，随着激光装置输出能量的不断提升，光学元件的激光损伤问题日益凸显，已成为限制激光输出能量继续提升的重要瓶颈。
目前大多光学元件的实际激光损伤性能远低于其理论值，表明光学元件加工后所残留的表面缺陷是发生激光损伤的重要诱因。光学元件表面激光损伤的一般过程为：1)缺陷吸收激光能量，使激光能量向材料转移并局部达到等离子体状态；2)等离子体继续吸收激光能量形成局部高温高压；3)主体材料通过热扩散、***冲击波等形式对局部能量沉积响应最终形成表面损伤。可见，缺陷对激光能量的吸收作为激光损伤的初始阶段是激光损伤发展过程中的一个关键步骤。因此研究光学元件表面吸收性缺陷分布规律与激光损伤性能的关联关系对深入理解损伤机理及建立准确可靠的光学元件激光损伤性能无损评估方法具有重要意义。
研究表明，当前激光通量下诱发光学元件激光损伤的缺陷主要有加工残留的化学污染及微纳米物理结构缺陷，物理结构缺陷内通常会嵌入污染物。激光辐照光学元件时缺陷部位的损伤性能远低于无缺陷区域，因此光学元件表面缺陷的表征及其大口径统计对评估光学元件损伤性能是有效并有重大意义的。
吸收是激光辐照下各种缺陷的共同特征参数，可用于激光光学元件表面缺陷的统计研究。高功率激光条件下使用的光学元件品质要求很高，表面残余吸收大多在ppm量级，如此低的吸收水平，传统的基于光栅光谱仪的透过率光谱无法获得可靠数据。
发明内容
本发明的目的是提供一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统，能够在不损坏光学元件的基础上，提高光学元件损伤性能的评估准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法，包括：
选取标准光学元件；
获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度；
获取损伤性能；所述损伤性能包括损伤阈值和损伤密度；
采用Spearman相关性分析法，确定所述标准光学元件的不同吸收水平的缺陷密度中与损伤性能相关性最高的缺陷密度，得到各所述损伤性能对应的缺陷密度，并建立损伤性能与其对应的缺陷密度之间的关联曲线，作为标准曲线；
获取待检测光学元件的缺陷密度，根据所述标准曲线，确定所述待检测光学元件的损伤性能。
可选的，所述标准光学元件的表面处理工艺与待测光学元件的表面处理工艺相同。
可选的，所述获取损伤性能包括：
采用不同等级的激光辐射所述标准光学元件，直至所述标准光学元件发生损伤；
测试所述标准光学元件的损伤阈值；
检测所述损伤区域中损伤点的分布情况，获得损伤密度；
根据所述损伤阈值和所述损伤密度，获取所述标准光学元件的损伤性能。
可选的，采用光热共路干涉技术，对所述标准光学元件的光热弱吸收系数进行测试，获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度。
可选的，采用多个所述标准光学元件获取所述标准曲线。
一种预测光学元件表面激光损伤性能的系统，包括：
标准光学元件选取模块，用于选取标准光学元件；
缺陷密度获取模块，用于获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度；
损伤性能获取模块，用于获取损伤性能；所述损伤性能包括损伤阈值和损伤密度；
标准曲线建立模块，用于采用Spearman相关性分析法，确定所述标准光学元件的不同吸收水平的缺陷密度中与损伤性能相关性最高的缺陷密度，得到各所述损伤性能对应的缺陷密度，并建立损伤性能与其对应的缺陷密度之间的关联曲线，作为标准曲线；
损伤性能确定模块，用于获取待检测光学元件的缺陷密度，根据所述标准曲线，确定所述待检测光学元件的损伤性能。
可选的，所述损伤性能获取模块包括：
激光辐射单元，用于采用不同等级的激光辐射所述标准光学元件，直至所述标准光学元件发生损伤；
损伤阈值测试单元，用于测试所述标准光学元件的损伤阈值；
损伤密度获取单元，用于检测所述损伤区域中损伤点的分布情况，获得损伤密度；
损伤性能获取单元，用于根据所述损伤阈值和所述损伤密度，获取所述标准光学元件的损伤性能。
可选的，所述缺陷密度获取模块包括：
光热共路干涉单元，用于采用光热共路干涉技术，对所述标准光学元件的光热弱吸收系数进行测试，获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统，通过选用标准的光学元件，来构建光学元件缺陷密度和损伤性能相对应的标准曲线，根据得到的标准曲线，通过检测得到待测光学元件的缺陷密度，就可以对应得到其损伤性能，这就能够在不损坏光学元件的基础上，提高光学元件损伤性能的评估准确性。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的预测光学元件表面激光损伤性能方法的流程图；
图2为本发明实施例中标准光学元件上测试区域的分布图；
图3为本发明实施例中熔石英元件的表面吸收性缺陷分布曲线图；
图4为本发明实施例中熔石英元件零概率损伤阈值与缺陷密度的定量关系图；
图5为本发明实施例中熔石英元件8J/cm2的损伤密度与缺陷密度的定量关系图；
图6本发明实施例所提供的预测光学元件表面激光损伤性能系统的结构示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法和系统，能够在不损坏光学元件的基础上，提高光学元件损伤性能的评估准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的预测光学元件表面激光损伤性能方法的流程图，如图1所示，一种预测光学元件表面激光损伤性能的方法，包括：
S100、选取标准光学元件。
S101、获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度。
S102、获取损伤性能。所述损伤性能包括损伤阈值和损伤密度。
S103、采用Spearman相关性分析法，确定所述标准光学元件的不同吸收水平的缺陷密度中与损伤性能相关性最高的缺陷密度，得到各所述损伤性能对应的缺陷密度，并建立损伤性能与其对应的缺陷密度之间的关联曲线，作为标准曲线。
S104、获取待检测光学元件的缺陷密度，根据所述标准曲线，确定所述待检测光学元件的损伤性能。
其中，为了进一步提高检测的准确性，所采用的标准光学元件的表面处理工艺可以与待测光学元件的表面处理工艺相同。
因光热共路干涉(photothermal common-path interferometer，PCI)技术利用样品吸收激光能量后的热透镜效应间接测量元件表面弱吸收，能够区分元件的表面吸收与体吸收，具有非接触、高灵敏度、高稳定性、无损等优点，广泛应用于薄膜和光学材料的微弱吸收检测。最重要的是PCI采用二维扫描模式，可实现光学元件不同口径吸收性缺陷的高效率统计，是现有其它表面缺陷检测技术难以实现的。因此，在S101之前还可以包括：
采用光热共路干涉技术，对所述标准光学元件的光热弱吸收系数进行测试，获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度的步骤，进而来提高获取不同吸收水平的缺陷密度的效率。
在上述建立标准曲线的过程中，选取多块与待测光学元件表面处理工艺相近的标准光学元件，采用多样品、多位置、二维扫描方式检测标准光学元件的表面光热吸收，分析标准光学元件的表面吸收性缺陷统计分布规律，以建立精确度更高的标准曲线，进而提高整个检测过程的准确性。
在获取损伤阈值时，以一个低能量激光为初始能量，然后以一定的能量(可以为1J/cm2)台阶连续提升激光能量，每个能量辐照1发次，直至发生损伤。同样采用相同的激光辐射方式，选择多个区域测试不同能量下的损伤概率，然后通过测试通量(单位是J/cm2)与损伤概率曲线获得损伤阈值。采用Raster-scan(扫掠扫描)方式获得目标通量下的损伤密度。
测试过程中，根据光学元件服役条件的不同，我们选用不同的光热吸收泵浦波长、不同的泵浦功率来对标准元件进行测试。并且损伤性能测试激光波长与吸收性缺陷统计测试波长要相同。
本发明所针对的光学元件为熔石英(精抛光)、K9玻璃、UBK7、硅片、KDP和CaF2晶体等光学元件。
下面以熔石英元件为例，对本发明中所提供的预测光学元件表面激光损伤性能的方法进行进一步的详细说明。
1)选取多块与待测光学元件表面处理工艺相近的标准光学元件，采用多样品、多位置、二维扫描方式检测标准光学元件的表面光热吸收，分析标准光学元件的表面吸收性缺陷统计分布规律。具体包括：
按照图2所示的取样方式，每个标准样品用PCI测试n个3mm×3mm的区域(n≥1，具体值视光学元件大小及表面质量而定，以50mm×50mm熔石英为例，较高加工质量的表面n≈3)，然后利用Matlab统计不同测试口径下不同吸收等级的缺陷分布密度，绘制不同测试口径缺陷分布密度图，确定能够代表大口径缺陷分布特性的最小取样面积并拟合吸收性缺陷分布密度函数。重复以上步骤测试多个标准光学元件的表面光热吸收，获得所有标准元件的吸收性缺陷分布特性。所得到的熔石英元件的表面吸收性缺陷的分布曲线，如图3所示。
2)按照标准损伤测试流程测试步骤1)中所有标准光学元件的表面激光损伤性能。采用R on 1方式，即以一个低能量激光为初始能量，然后以一定的能量台阶连续提升激光能量，每个能量辐照1发次，直至发生损伤，然后通过测试通量与损伤概率曲线获得损伤阈值。采用Raster-scan(扫掠扫描)方式获得目标通量下的损伤密度，每个熔石英元件的采样面积为9cm×9cm。
测试过程中，根据熔石英元件应用及服役条件的不同，选用不同的光热吸收泵浦波长、不同的泵浦功率。并且在测试过程中，损伤性能测试激光波长需要与吸收性缺陷统计测试的泵浦波长相同。针对熔石英元件，表面光热吸收测试泵浦激光为准连续光，探测激光为连续激光，泵浦激光波长355nm，功率1W，探测激光波长632nm，功率5mW。损伤性能测试激光为脉冲激光，波长355nm，脉宽9.3ns，辐照在样品后表面光斑尺寸为ф＝2mm，调制度低于1.6。
3)根据标准样品的吸收性缺陷统计分布特性及其对应的损伤性能，用Spearman(斯皮尔曼)相关性方法分析不同吸收等级的缺陷密度与损伤性能的相关性，筛选出与损伤性能具有最高相关性的缺陷密度并建立其与损伤性能(损伤阈值和损伤密度)的关联曲线。
4)对待测光学元件进行表面光热吸收测试获得缺陷密度分布规律，获得高相关性吸收等级缺陷密度，并根据步骤(3)得到的关系曲线图推算出待测光学元件的表面损伤阈值和损伤密度。
其中，熔石英元件的零概率损伤阈值与不同吸收等级缺陷密度的Spearman相关性以及其8J/cm2损伤密度与不同吸收等级缺陷密度的Spearman相关性，如下表1和2所示。
并且其零概率损伤阈值与缺陷密度的定量关系和8J/cm2的损伤密度与缺陷密度的定量关系分别如图4和5所示。
表1：零概率损伤阈值与不同吸收等级缺陷密度的斯皮尔曼相关性
表2：8J/cm2损伤密度与不同吸收等级缺陷密度的斯皮尔曼相关性
其中，Spearman Corr为斯皮尔曼相关系数，Sig为显著性。
本例中所述损伤阈值包括零概率损伤阈值和100％概率损伤阈值。
本例中光学元件表面吸收性缺陷检测及损伤性能测试均在百级洁净环境中进行。
基于上述内容，本发明所提供的预测光学元件表面激光损伤性能方法的优点在于：
通过多样品、多位置、二维吸收测试，统计与待测光学元件具有相近表面处理工艺的标准元件的表面吸收性缺陷，获得标准光学元件的表面吸收性缺陷分布规律；同时采用与吸收测试波长相同的激光进行标准光学元件损伤性能获得损伤阈值和损伤密度；根据标准元件的吸收性缺陷统计分布特性及其对应的损伤性能，分析不同吸收等级的缺陷密度与损伤性能的相关性，筛选出与损伤性能具有最高相关性的吸收等级缺陷，建立此类光学元件缺陷密度与损伤性能(损伤阈值和损伤密度)的关联曲线；通过检测待测光学元件的表面吸收性缺陷密度，根据缺陷密度——损伤性能关系曲线推算出损伤阈值和损伤密度，实现光学元件损伤性能的无损评价。
此外，本发明一种预测光学元件表面激光损伤性能的系统，如图6所示，该系统包括：标准光学元件选取模块1、缺陷密度获取模块2、损伤性能获取模块3、标准曲线建立模块4和损伤性能确定模块5。
其中，标准光学元件选取模块1用于选取标准光学元件；
缺陷密度获取模块2用于获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度；
损伤性能获取模块3用于获取损伤性能；所述损伤性能包括损伤阈值和损伤密度；
标准曲线建立模块4用于采用Spearman相关性分析法，确定所述标准光学元件的不同吸收水平的缺陷密度中与损伤性能相关性最高的缺陷密度，得到各所述损伤性能对应的缺陷密度，并建立损伤性能与其对应的缺陷密度之间的关联曲线，作为标准曲线；
损伤性能确定模块5用于获取待检测光学元件的缺陷密度，根据所述标准曲线，确定所述待检测光学元件的损伤性能。
为了进一步提高检测的准确性，所述损伤性能获取模块3可以包括：激光辐射单元、损伤阈值测试单元、损伤密度获取单元和损伤性能获取单元。
其中，激光辐射单元用于采用不同等级的激光辐射所述标准光学元件，直至所述标准光学元件发生损伤。
损伤阈值测试单元用于测试所述标准光学元件的损伤阈值。
损伤密度获取单元用于检测所述损伤区域中损伤点的分布情况，获得损伤密度。
损伤性能获取单元用于根据所述损伤阈值和所述损伤密度，获取所述标准光学元件的损伤性能。
所述缺陷密度获取模块2还包括：用于采用光热共路干涉技术，对所述标准光学元件的表面弱吸收系数进行测试，获取所述标准光学元件的吸收性缺陷分布特性，得到不同吸收水平的缺陷密度的光热共路干涉单元。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。