并行掃描激光預處理裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種并行掃描激光預處理裝置及方法，屬于光學【技術領域】。裝置包括沿激光傳輸方向設置的激光光源、機械快門、能量衰減器、光束匯聚系統(tǒng)、分光劈板和合束鏡，還包括光束輪廓儀、激光能量計、信標光源和電動位移臺；光學元件置于電動位移臺上；裝置與光學元件之間設有傾斜鏡陣列，光學元件前設置有檢測相機。本發(fā)明在重復利用激光能量提高預處理效率的同時，解決了損傷導致的反射輻照不均勻問題，可高速有效提升大口徑光學元件激光損傷閾值。
【專利說明】并行掃描激光預處理裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學元件處理裝置及方法，尤其是其激光預處理，屬于光學【技術領域】?！颈尘凹夹g】
[0002]光學元件在制作完成后，需要進行激光預處理，目前主要采用小口徑、毫米級尺寸的激光光斑，通過光柵單點掃描(raster scan)方式,均勻地對薄膜元件進行照射。由于福照均勻性和通量提升這兩項因素將影響激光預處理效果，為了保證一片大口徑光學元件能夠受到均勻的輻照作用，通常在掃描過程中，光斑間距不能過大，使得兩次輻照之間有一定的重疊部分，以保證掃描無盲區(qū)。同時，需要采用通量逐步提升的方式，平緩地誘導預處理效果。這兩項因素導致小口徑預處理存在耗時長的缺點。舉例來說:采用口徑1mm，重復頻率IOHz的輻照光斑，處理一片600X600mm 口徑的光學元件。假定光斑步進間距為0.5mm,以保證一定的重疊區(qū)域，在這種情況下，單次全口徑處理需要耗時40小時，若需要以三種能量進行預處理，以10%、50%、90%損傷閾值進行通量提升，則處理一片元件總共需要120小時，耗時相當顯著。
[0003]另外，在高功率激光脈沖作用之下，光學元件極易發(fā)生損傷，光學元件的損傷問題成為目前限制大型激光裝置出光能量繼續(xù)提升的瓶頸。提高元件的抗損傷能力可以從改善元件的制備條件和工藝出發(fā)，但是，受限于材料物性機制、工藝可行性和成本等因素，難度極大；另一條可行之路則是激光預處理技術。它采用較低通量的激光束(較之于元件的損傷閾值)，對膜面進行輻照，可以提高其抗損傷能力。
[0004]在亞閾值光斑的輻照作用之下，元件表面的附著性污染被擊落和分解，同時被包覆的缺陷也可以被預引爆和加固，避免其進一步增長；而材料本身所包含的原子離子雜質(zhì)缺陷在激光誘導之下重新結(jié)合，從而使物性趨于穩(wěn)定。
[0005]目前可見的文獻報道和專利中，主要采用單點逐點掃描方式或利用激光束的多次全反射來進行掃描。單點逐點掃描方式存在耗時長的缺點。簡單利用激光束的多次全反射來進行掃描可以提高效率，但是該方法無法實時監(jiān)測所有掃描點的狀況，掃描過程中一旦在某個反射點產(chǎn)生破壞，其余反射點的能量將急劇變化，產(chǎn)生輻照不均勻問題，從而導致整個元件的預處理不可控，效果無法滿足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明提供一種對光學元件進行并行掃描激光預處理裝置及方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
并行掃描激光預處理裝置，包括沿激光傳輸方向設置的激光光源、機械快門、能量衰減器、光束匯聚系統(tǒng)、分光劈板和合束鏡，還包括光束輪廓儀、激光能量計、信標光源和電動位移臺；光學元件置于電動位移臺上；裝置與光學元件之間設有傾斜鏡陣列，光學元件前設置有檢測相機。[0008]并行掃描激光預處理方法，包括以下步驟:
A.精確調(diào)節(jié)傾斜鏡陣列的俯仰角，控制各光斑在光學元件反射表面上的位置坐標，以此將各光斑排列成規(guī)則分布的組束；組束作為整體以并行方式對光學元件進行并行掃描；組束尺寸與檢測相機的視場范圍相匹配；
B.由能量計和光束輪廓儀測量脈沖能量和有效面積；
C.根據(jù)組束尺寸和激光重復頻率，由電動位移臺調(diào)整光學元件的位移速度；
D.根據(jù)檢測相機檢測的損傷坐標，計算光學元件的輻照盲區(qū)，并記錄；
E.并行掃描完畢后，采用單光斑方式對光學元件的輻照盲區(qū)逐一進行填充。
[0009]本發(fā)明采用傾斜鏡組合定位方式，對反射激光進行重復利用和合理排布，以組束并行掃描的方式實現(xiàn)均勻輻照過程，從而大幅度壓縮預處理時間周期，同時，對掃描區(qū)域進行損傷在線診斷。
[0010]本發(fā)明的有益效果是，在重復利用激光能量提高預處理效率的同時，解決了損傷導致的反射輻照不均勻問題，可高速有效提升大口徑光學元件激光損傷閾值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明中裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明中掃描方法原理示意圖；
圖3是光學元件損傷輻照盲區(qū)形成示意圖。
[0012]圖4是本發(fā)明中光斑組束并行掃描方式示意圖 圖中零部件及編號:
I一激光光源，2—機械快門，3—能量衰減器，4一光束匯聚系統(tǒng)，
5一分光劈板，6一光束輪廓儀，7一激光能量計，8一彳目標光源，
9 一傾斜鏡陣列，10 一檢測相機，11 一光學兀件，12 一電動位移臺，
13—合束鏡。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0014]參見圖1一4，并行掃描激光預處理裝置，包括沿激光傳輸方向設置的激光光源1、機械快門2、能量衰減器3、光束匯聚系統(tǒng)4、分光劈板5和合束鏡13，還包括光束輪廓儀6、激光能量計7、信標光源8和電動位移臺12 ;光學元件11置于電動位移臺12上；裝置與光學元件11之間設有傾斜鏡陣列9，光學元件11前設置有檢測相機10。
[0015]激光光源I為調(diào)Q式固體激光器。信標光源8為氦氖激光器。傾斜鏡陣列9的鏡面為鍍有高反射薄膜的凹面鏡。
[0016]傾斜鏡陣列9的角度(自由度)控制由壓電陶瓷驅(qū)動(也可手動控制)。檢測相機10為CCD視覺檢測相機。
[0017]并行掃描激光預處理方法，包括以下步驟:
A.精確調(diào)節(jié)傾斜鏡陣列9的俯仰角，控制各光斑在光學元件11反射表面上的位置坐標，以此將各光斑排列成規(guī)則分布的組束；組束作為整體以并行方式對光學元件11進行并行掃描；組束尺寸與檢測相機10的視場范圍相匹配； B.由能量計7和光束輪廓儀6測量脈沖能量和有效面積；
C.根據(jù)組束尺寸和激光重復頻率，由電動位移臺12調(diào)整光學元件11的位移速度；
D.根據(jù)檢測相機10檢測的損傷坐標，計算光學元件11的輻照盲區(qū)，并記錄；
E.并行掃描完畢后，采用單光斑方式對光學元件11的輻照盲區(qū)逐一進行填充。
[0018]激光光源I輸出脈沖激光；通過機械快門2進行開關控制；隨后經(jīng)過能量衰減器3和光束匯聚系統(tǒng)4，形成預處理光斑；分光劈板5將少部分激光能量劃分出來，分別入射至光束輪廓儀6和激光能量計7 ;信標光源8經(jīng)過合束鏡13進入光路，作為參考光束；激光在光學元件11和傾斜鏡陣列9之間多次反射，形成光斑組束；光學元件11通過電動位移臺12進行夾持和掃描；CCD視覺檢測相機10用于對損傷導致的輻照盲區(qū)進行在線監(jiān)測。
[0019]本發(fā)明原理如圖2所示。預處理光束在反射光學元件11表面和傾斜鏡陣列9之間多次反射，可以實現(xiàn)激光能量的反復利用，形成N個光斑構(gòu)成的組束(圖中S1-S9為3X3光斑組束方式示意)，作為整體進行并行掃描。其具體方式如圖4所示:光斑組束按照箭頭方向行進，步進間距取決于組束的整體尺寸。首先從左至右進行掃描(圖中圓點標示省略)，到達邊緣之后，向下步進，然后從右至左反向掃描。循環(huán)此步驟，直到光學元件11表面輻照完畢。該方式可以將預處理耗時壓縮為單光斑掃描方式的1/N。在掃描的同時，采用CCD視覺檢測相機10對輻照區(qū)域進行在線損傷診斷。為了保證足夠的損傷分辨率尺度，成像系統(tǒng)需要保持一定的放大倍率，因此，相應的成像視場不會太大，通常為數(shù)毫米尺寸以內(nèi)。因此，雖然重復使用傾斜鏡反射能夠獲得相當大的光斑組束，但是，為了與成像視場范圍相匹配，通常，3X3、4X4的組束規(guī)格較為實用。設元件表面與傾斜鏡面上薄膜的反射率為R，假定入射激光通量為P，則兩次相鄰反射點之間的能量比例關系為R2，所以，第N個反射點的輻射通量表達式為:PN=PR2N，以3X3組束、R=99.9%為例，第9個反射點的能量是第I個反射點的98.2%，能量損失相對較小，因此，可以認為光斑組束范圍內(nèi)承受的輻照效果是均勻的。
[0020]傾斜鏡陣列9是一組置于處理元件前的傾斜反射鏡，鏡面由鍍有高反射薄膜的凹面鏡構(gòu)成。
[0021]激光光源I用于輸出滿足元件預處理需求的脈沖激光，本實施方式采用調(diào)Q式固體激光器。
[0022]機械快門2進行開關控制，光斑輻照通量與場分布通過能量衰減器3和光束匯聚系統(tǒng)4進行控制。
[0023]預處理激光參數(shù)包括脈沖能量和有效面積，由能量計7和光束輪廓儀6進行測量。
[0024]信標光源8輸出光束作為參考主光軸,輔助光路調(diào)節(jié),本實施方式米用氦氖激光器。
[0025]在待處理光學元件11之前放置傾斜鏡陣列9，鏡面由鍍有高反射薄膜的凹面鏡構(gòu)成，本實施方式中傾斜自由度控制采用壓電陶瓷驅(qū)動；也可采用手動。
[0026]激光束在光學元件11和傾斜鏡陣列9之間多次反射，形成光斑組束；激光束經(jīng)反射之后，被傾斜鏡收集并再次反射輸出，重新回到光學元件11表面，形成一個新的作用光斑；即入射激光束照射至Si位置，同時，一面傾斜鏡位于其反射光路中，出射光束經(jīng)反射后再次后入射至S2位置，形成新的預處理光斑，同時又反射至下一面傾斜鏡；重復此過程，利用N面合理定位的傾斜鏡陣列，在光學元件11表面上形成N個作用光斑。
[0027]電動位移臺12用于光學元件11的夾持和掃描，根據(jù)組束尺寸和激光重復頻率，調(diào)整位移速度，實現(xiàn)以組束為整體的并行掃描。
[0028]組束尺寸與CXD視覺檢測相機10的成像視場范圍相匹配。由于預處理過程中損傷的出現(xiàn)將阻擋光束向下一個位置的反射，因此，在并行掃描方式下，損傷點周圍存在未受到輻照處理的局部盲區(qū)，當CCD視覺檢測相機10檢測到損傷出現(xiàn)之后，根據(jù)損傷坐標計算出反射輻照盲區(qū)，并進行記錄。
[0029]在實際預處理過程中，光學元件11表面將不可避免地出現(xiàn)損傷，這些損傷點將阻礙光束的繼續(xù)反射，此過程原理如圖3所示:假設在S4位置發(fā)生了損傷，則S5 — S9位置的反射光斑將不能形成，使得該部分區(qū)域成為輻照盲區(qū)。因此，在損傷診斷過程中，需要根據(jù)損傷位置計算出盲區(qū)范圍，在并行掃描完畢之后，采用單光斑方式，對這些輻照盲區(qū)逐一進行填充，以保證預處理輻照能量均勻性。
【權利要求】
1.一種并行掃描激光預處理裝置，包括沿激光傳輸方向設置的激光光源(I)、機械快門(2 )、能量衰減器(3 )、光束匯聚系統(tǒng)(4 )、分光劈板(5 )和合束鏡(13)，還包括光束輪廓儀(6 )、激光能量計(7 )、信標光源(8 )和電動位移臺(12 );光學元件(11)置于電動位移臺(12 )上；其特征在于，裝置與光學元件(11)之間設有傾斜鏡陣列(9)，光學元件(11)前設置有檢測相機(10)。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學元件激光預處理裝置，其特征在于，所述的激光光源(I)為調(diào)Q式固體激光器。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學元件激光預處理裝置，其特征在于，所述的信標光源(8)為氦氖激光器。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學元件激光預處理裝置，其特征在于，所述的傾斜鏡陣列(9)的鏡面為鍍有高反射薄膜的凹面鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的光學元件激光預處理裝置，其特征在于，所述的傾斜鏡陣列(9)的角度控制由壓電陶瓷驅(qū)動。
6.根據(jù)權利要求1所述的光學元件激光預處理裝置，其特征在于，所述的檢測相機(10)為C⑶視覺檢測相機。
7.一種并行掃描激光預處理方法，其特征在于，包括以下步驟: A.精確調(diào)節(jié)傾斜鏡陣列(9)的俯仰角，控制各光斑在光學元件(11)反射表面上的位置坐標，以此將各光斑排列成規(guī)則分布的組束；組束作為整體以并行方式對光學元件(11)進行并行掃描；組束尺寸與檢測相機(10)的視場范圍相匹配； B.由能量計(7)和光束輪廓儀(6)測量脈沖能量和有效面積； C.根據(jù)組束尺寸和激光重復頻率，由電動位移臺(12)調(diào)整光學元件(11)的位移速度； D.根據(jù)檢測相機(10)檢測的損傷坐標，計算光學元件(11)的輻照盲區(qū)，并記錄； E.并行掃描完畢后，采用單光斑方式對光學元件(11)的輻照盲區(qū)逐一進行填充。
【文檔編號】B29C71/04GK103434149SQ201310385524
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權日:2013年8月30日
【發(fā)明者】馬平, 鄭軼, 劉志超, 浦云體, 王剛 申請人:成都精密光學工程研究中心