技术领域
[0001] 本
发明涉及光学技术领域，更具体的说是涉及一种激光损伤阈值测试自动调控装置。
背景技术
[0002] 随着激光技术的发展，光纤连续激光、脉冲串激光、高重频准连续激光等高功率越来越成为加工行业的宠儿，其应用领域越来越宽。在激光领域，特别是高功率激光领域，一个重要的因素是光学元件是否能够承受强激光
辐射；在激光加工领域，材料的激光损伤阈值决定了加工激光参数的选择。因此，在激光应用中，如何在线、迅速、准确地判定脉冲激光的激光损伤阈值、连续激光和超连续激光的损伤时刻，一直是激光与物质相互作用领域的主要研究内容之一。
[0003] 对于激光损伤的测试，国际上颁布了ISO-11254-1(激光和激光设备光学表面激光导致损伤
阀值的测定第1部分：1-on-1试验)和ISO 11254-2(测定的光学表面的激光诱导损伤阈值第2部分：S-ON-1试验)，对激光损伤的判定进行了规范。标准中规定使用100-150倍的
显微镜对激光辐照后的光学元件和光学
薄膜进行观察，以判断是否发生损伤。1996年，我国行业研究者，综合了上述两个国际标准，颁布了国家标准GB/T 16601-1996(光学表面激光损伤阈值测试方法第1部分：1对1测试)，该标准规定了对激光损伤的检测，是在激光辐照前后，各测试点均应用微分相衬显微镜检测其表面，其放大倍率不小于150倍。上述这些方法，存在很多弊端：
[0004] (1)只适合于小
块、薄样品激光损伤的测试；
[0005] (2)属于事后测试，激光辐照后，将样品拿下来进行测试。同时需要对激光损伤区域进行事先标记，无法实现自动测试；
[0006] (3)只适合于脉冲激光或者固定功率和辐照时间的连续激光和超连续激光，无法实现连续激光和超连续激光损伤临界的判定；
[0007] (4)采用人工方式，会带来很多不确定性因素。首先频繁使样品往来于损伤测试靶台和显微镜载物台，样品表面会带来划伤，同时劳动强度大，浪费人
力；其次，要在100-150倍的显微镜下观察，区域小，事先标记和损伤点寻找、对准难度大；人工主观评判激光损伤及其程度，主观性强，因人而异。
[0008] 因此，基于上述测试方法存在的问题，国内的许多研究者，根据各自的需求，发展了很多测试方法。1996年，中科院上海光机所报道了基于诺曼斯基偏光干涉仪和CCD相机的判断光学材料破坏方法；1998年，又报道了基于He-Ne
激光器、刀口仪、光电
二极管和示波器的激光损伤判定方法。2004年，国防科技大学报道了基于高速PIN光电探测器和示波器,实时检测
透射光脉冲和经过延时的散射光脉冲，通过透射光脉冲的畸变，作为透明材料损伤判断的依据。2010年，西北工业大学分析了影响前向散射法判断光学薄膜损伤的因素。2014年，西北工业大学提出了声学法判别薄膜损伤的研究方法。2016年，南京理工大学提出了基于光纤
光谱仪探测激光诱导
等离子体来判别脉冲激光对目标的损伤。2018年，长春理工大学报道了基于CCD成像的薄膜损伤判别方法。
[0009] 纵观这些方法，对于脉冲激光损伤、固定功率和时间条件下的连续和超连续激光的损伤，完全适合，但是无法适用于连续激光、高重频激光和超连续激光损伤阈值的精确判据。
[0010] 因此，如何提供一种高功率连续激光损伤阈值自动测试装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
[0011] 有鉴于此，本发明提供了一种高功率连续激光损伤阈值自动测试装置，实现了连续激光、高重频激光和超连续激光损伤阈值的精确测试和判定，既适用于透明材料损伤阈值特性的测试，也适用于非透明材料损伤阈值特性的测试。
[0012] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] 一种高功率连续激光损伤阈值自动测试装置，包括：三维电控目标靶台系统、激光损伤时刻监测系统、损伤用激光器系统和程控计算机；
[0014] 所述三维电控目标靶台系统包括靶材及三维电控目标靶台，所述三维电控目标靶台用于固定所述靶材；
[0015] 所述损伤用激光器系统包括损伤激光聚焦系统、激光扩束系统、损伤用激光器、瞄准激光器、激光电源及其电源，所述瞄准激光器和所述损伤用激光器同轴，且所述瞄准激光器发出的瞄准激光以及所述损伤用激光器发出的损伤激光依次经过所述激光扩束系统和所述损伤激光聚焦系统聚焦到所述靶材的同一点上，所述激光电源控制所述损伤用激光器的损伤激光功率以及辐照时间；
[0016] 所述激光损伤时刻监测系统包括聚焦透镜一、聚焦透镜二、激光扩束
准直镜、指示光激光器、双色反射镜、窄带滤光片、聚焦透镜三、光电探测器、前放及比较
电路、计时计算机和照明激光器；所述指示光激光器发出的指示光经所述激光扩束准直镜准直后，再依次经过所述双色反射镜、所述聚焦透镜二和所述聚焦透镜一聚焦到所述靶材的激光损伤区域，且与所述损伤用激光器发出的损伤激光重合；所述照明激光器发出的照明激光与所述损伤用激光器发出的损伤激光重合；
[0017] 从所述靶材到所述光电探测器的光路轴线之间依次设置有所述聚焦透镜一、所述聚焦透镜二、所述双色反射镜、所述窄带滤光片和所述聚焦透镜三；所述光电探测器、所述前放及比较电路和所述计时计算机依次电连接；
[0018] 所述程控计算机和所述激光电源电连接，程控计算机控制所述三维电控目标靶台且通过所述激光电源控制所述激光电源，所述程控计算机受控于所述计时计算机。
[0019] 进一步，所述三维电控目标靶台包括X方向移动控
制模块、Y方向移动
控制模块、Z方向移动控制模块、靶台控制箱和靶台卡具，所述靶台控制箱控制所述X方向移动控制模块、所述Y方向移动控制模块和所述Z方向移动控制模块的移动步长和步数，其中，所述X方向移动控制模块和所述Y方向移动控制模块，控制所述靶台卡具沿损伤用激光横向
位置的移动，以调整损伤激光对靶材的损伤区域，所述Z方向移动控制模块控制沿损伤用激光纵向位置，以调整损伤激光对靶材损伤区域的聚焦情况；所述靶台卡具用于固定所述靶材，所述程控计算机控制所述靶台控制箱。
[0020] 进一步，所述指示光激光器为发散
角为mrad量级的连续可见光激光器，其发出的指示光经所述激光扩束准直镜后为类平行光。
[0021] 进一步，所述照明激光器为可见光激光器，其
波长与所述指示光激光器的波长不同。
[0022] 进一步，所述双色反射镜与所述光路轴线成45°角，所述双色反射镜的膜系对所述指示光激光器发出的指示光全反射或大部分反射，且对所述照明激光器的照明激光全透射。
[0023] 进一步，所述窄带滤光片的波段与所述照明激光器的波长相匹配。
[0024] 进一步，所述照明激光器的照明激光，聚焦到靶材的激光损伤区域，引起散射光的变化，所述光电探测器将散射光
信号的变化转换为
电信号电平的变化，所述前放及比较电路根据所述电平信号给出
高电平信号或低电平信号。
[0025] 进一步，所述计时计算机能够根据所述前放及比较电路给出的高电平信号或低电平信号，触发所述程控计算机，所述程控计算机控制所述激光电源，所述激光电源控制所述损伤用激光器改变激光功率和辐照时间，或者所述激光电源控制所述损伤用激光器终止激光辐照。
[0026] 经由上述的技术方案可知，与
现有技术相比，本发明公开提供了一种高功率连续激光损伤阈值自动测试装置，工作中，该装置将指示光、照明激光、瞄准激光与损伤激光共点，之后损伤激光辐照靶材的同时给程控计算机触发信号，当靶材损伤时，靶材表面的损伤点将引起照明激光散射特性的变化，光电探测器通过光电变换，将变化的激光散射特性信息送至计时计算机中，计时计算机给程控计算机发出停止激光辐照信号，停止激光辐照，程控计算机给出目标靶材的辐照时间和损伤激光功率，根据辐照时间和损伤激光功率确定目标材料的激光损伤阈值。
附图说明
[0027] 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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0028] 图1附图为本发明提供的高功率连续激光损伤阈值自动测试装置整体结构示意图。
[0029] 图2附图为本发明提供的三维电控目标靶台具体结构图。
[0030] 图3附图为本发明提供的激光损伤时刻监测系统具体结构图。
[0031] 图4附图为本发明提供的损伤用激光器系统具体结构图。
[0032] 其中，各部分表示：
[0033] 100、三维电控目标靶台系统，101、X方向移动控制模块，102、Y方向移动控制模块，103、Z方向移动控制模块，104、靶台控制箱，105、靶台卡具，200、激光损伤时刻监测系统，
201、聚焦透镜一，202、聚焦透镜二，203、激光扩束准直镜，204、指示光激光器，205、双色反射镜，206、窄带滤光片，207、聚焦透镜三，208、光电探测器，209、前放及比较电路，210、计时计算机，211、照明激光器，300、损伤用激光器系统，301、损伤激光聚焦系统，302、激光扩束系统，303、损伤用激光器，304、瞄准激光器，305、激光电源。
具体实施方式
[0034] 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。
[0035] 本发明实施例公开了一种高功率连续激光损伤阈值自动测试装置，结合附图1-4，包括：三维电控目标靶台系统100、激光损伤时刻监测系统200、损伤用激光器系统300和程控计算机400；
[0036] 三维电控目标靶台系统100包括靶材及三维电控目标靶台，三维电控目标靶台用于固定靶材；三维电控目标靶台包括X方向移动控制模块101、Y方向移动控制模块102、Z方向移动控制模块103、靶台控制箱104和靶台卡具105，X方向移动控制模块101和Y方向移动控制模块102控制靶台卡具105沿损伤用激光横向位置的移动，以调整损伤激光对靶材的损伤区域，决定了靶材损伤点的位置，Z方向移动控制103控制沿损伤激光的纵向位置，实现损伤激光光斑面积的调节；靶台控制箱104控制X方向移动控制模块101、Y方向移动控制模块102和Z方向移动控制模块103的移动步长和步数，程控计算机400控制靶台控制箱104。
[0037] 损伤用激光器系统300包括损伤激光聚焦系统301、激光扩束系统302、损伤用激光器303、瞄准激光器304和激光电源305，瞄准激光器304和损伤激光器303同轴，且瞄准激光器304发出的瞄准激光以及损伤用激光器303发出的损伤激光依次经过激光扩束系统302和损伤激光聚焦系统301聚焦到靶材的同一点上；需要说明的是，损伤用激光是
近红外波段，不可见，强度较高；而瞄准激光为可见光，强度较小，二者同轴，实现指哪打哪，激光电源305控制损伤用激光器303的损伤激光功率以及辐照时间。
[0038] 激光损伤时刻监测系统200包括聚焦透镜一201、聚焦透镜二202、激光扩束准直镜203、指示光激光器204、双色反射镜205、窄带滤光片206、聚焦透镜三207、光电探测器208、前放及比较电路209、计时计算机210和照明激光器211；指示光激光器204发出的指示光经激光扩束准直镜203调整到合适宽度后(此时的宽度取决于双色反射镜205和聚焦透镜一
201与聚焦透镜二202的几何尺寸)，再依次经过双色反射镜205、聚焦透镜二202和聚焦透镜一201聚焦到靶材的激光损伤区域，且与损伤用激光器303发出的损伤激光重合；调整照明激光器211的角度，使照明激光器211发出的照明激光与损伤用激光器303发出的损伤激光重合，实现系统瞄准；
[0039] 其中，光电探测器208、前放及比较电路209、计时计算机210依次电连接；从靶材到光电探测器208的光路轴线之间依次设置有聚焦透镜一201、聚焦透镜二202、双色反射镜205、窄带滤光片206和聚焦透镜三207；
[0040] 程控计算机400通过控制靶台控制箱104控制三维电控目标靶台且通过激光电源305控制损伤用激光器303，且程控计算机400受控于计时计算机210。
[0041] 为进一步优化上述技术方案，指示光激光器204为连续的可见光激光器，其出射光发射角较小，一般为mrad量级，经激光扩束准直镜203后为具有更小发射角的类平行光。发散角在几个mrad量级，不同的激光器发散角各异。
[0042] 为进一步优化上述技术方案，照明激光器211为可见光激光器，其波长与指示光激光器的波长不同。
[0043] 为进一步优化上述技术方案，双色反射镜205与光路轴线成一定角度，双色反射镜的膜系对指示光激光器204发出的指示光全反射或大部分反射，且对照明激光器211的照明激光全透射。
[0044] 为进一步优化上述技术方案，窄带滤光片206的波段与照明激光器的波长相匹配，且宽带尽可能小。
[0045] 为进一步优化上述技术方案，光电探测器208根据照明激光器211的照明激光散射
光信号转换为电信号电平，前放及比较电路209根据电平信号给出高电平信号或低电平信号。
[0046] 计时计算机210能够根据高电平信号或低电平信号，触发程控计算机400，程控计算机400控制激光电源305，激光电源305控制损伤用激光器303终止激光辐照。
[0047] 本发明是程控计算机400按照预设好的程序自动控制三维电控目标靶台和损伤用激光器303的输出功率与辐照时间，同时接收监测激光损伤的照明激光的触发信号。
[0048] 光路调试时，首先需要将损伤用激光器303、瞄准激光器304、指示光激光器204以及照明激光器211发出的四类光在靶材上共点。
[0049] 工作时，关闭瞄准激光器304，此时损伤用激光器303辐照靶材，同时激光电源305发出触发信号给程控计算机400，开始计时，当靶材表面出现损伤时，引起照明激光器211发出的照明激光的散射波变化，经聚焦透镜一201、聚焦透镜二202、双色反射镜205、窄带滤光片206和聚焦透镜三207后，使光电探测器208转换的电信号电平发生改变，使前放及比较电路209给出高或低电平，触发计时计算机210，计时计算机210向程控计算机400发出触发信号，此时，程控计算机400控制X方向移动控制模块或者Y方向移动控制模块移动，进而改变靶材的位置，并且程控计算机400根据半分逼近法改变损伤用激光器303的激光功率或者按照预定的程序减小激光辐照时间，继续辐照；若不损伤，计时计算机210不产生触发信号，在辐照时间完成以后，程控计算机400控制X方向移动控制模块或者Y方向移动控制模块移动，进而改变靶材的位置，并且程控计算机400根据倍数放大法改变损伤用激光器303的激光功率或者按照预设的程序设置增加激光辐照时间，继续辐照靶材，直到靶材表面刚好损伤；
[0050] 计时计算机210给程控计算机400发出停止激光辐照信号，停止激光辐照，程控计算机400给出目标靶材的激光辐照时间和损伤激光功率。
[0051] 其中，程控计算机400根据半分逼近法或倍数放大法改变所述损伤用激光器303的功率和按照预设的程序改变激光辐照时间具体包括以下步骤：设初始损伤激光功率P0，初始辐照时间为T0；
[0052] 辐照靶材，如果靶材损伤，设置损伤激光功率P1为P0值一半，改变靶材的位置，如果靶材损伤，程控计算机400设置损伤激光功率P2，P2为P1的一半，如果靶材没有损伤，则将损伤激光功率在P1的
基础上，增加P2值的一半，以此类推，直至靶材损伤；继续减小到P1的一半，如果目标靶材没有损伤，增加到P1的一半，直至靶材表面刚好损伤，在这一过程中辐照时间不变；
[0053] 或者辐照靶材，如果靶材损伤，程控计算机400设置辐照时间T1，，T1为T0-ΔT，ΔT为时间改变的步长，改变所述靶材的位置，如果所述靶材仍然发生损伤，所述程控计算机400继续设置辐照时间T2，T1为T0-2ΔT，以此类推，直到所述靶材刚好损伤；
[0054] 需要说明的是，可以以ΔT/2、ΔT/4……ΔT/n为时间步长，改变激光辐照时间，直到达到刚好损伤；在这一过程中，辐照功率不变。。
[0055] 本发明工作期间，通过程控计算机400设置三维电控目标靶台的二维移动步长和步数，以及损伤用激光器303的输出功率与激光辐照时间，一方面，固定激光功率，增加激光辐照时间，直到目标损伤；另一方面，固定激光辐照时间，增加激光功率，直到激光损伤。
[0056] 程控计算机400最后给出激光功率和辐照时间，并结合靶材处激光光斑尺寸(Z方向移动控制103决定光斑面积)，确定目标材料的激光损伤阈值。本装置既适用于高功率连续激光损伤阈值自动测试，也适用于超连续或高重频激光损伤阈值的自动测试，既适用于透明材料损伤阈值的测试，也适用于非透明材料损伤阈值的测试。
[0057] 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。对于实施例公开的装置而言，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。
[0058] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
