一種金屬靶材激光損傷閾值監(jiān)測新方法

邢乃心 李昌立 王耀德

（長春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長春130022）

引言

激光損傷閾值不僅為光學(xué)元件提供了安全的使用范圍，并且在提高其抗損傷性研究中也起到至關(guān)重要的作用。目前一些常見的激光損傷判別方法有：相襯顯微鏡觀測法[1]、光聲測量法[2]、散射光強(qiáng)測試法[3]、光熱偏轉(zhuǎn)法[4]、等離子體閃光法[5]、圖像處理法[6]等等。以上每種方法都有其明顯的優(yōu)勢和不足。相襯顯微鏡法的優(yōu)勢是觀察準(zhǔn)確，但受人為因素的影響較大；散射光強(qiáng)測試法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)在線測量，大程度的提升工作效率，而缺憾是對被測樣品表面的光潔度要求高，影響測量精度；光熱偏轉(zhuǎn)法的優(yōu)勢在于對試樣不需做專門處理，但此方法對反射光、散射光反應(yīng)不敏感；而等離子體閃光法由于操作方便和結(jié)構(gòu)簡單，從而被大家認(rèn)可接受，但是因?yàn)槭怯萌庋圻M(jìn)行觀察，所以測量受人為因素影響太大，且由于大氣擊穿而易產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。圖像處理法采用計(jì)算機(jī)對激光輻照后圖像的分析處理來得到激光能量密度，其中也存在著一定的誤差。基于以上所有的研究方法，本文提出一種可以更準(zhǔn)確地判斷測試金屬靶材是否發(fā)生激光誘導(dǎo)損傷的新方法，即基于散射光強(qiáng)測試法而改進(jìn)的激光損傷閾值監(jiān)測方法，實(shí)驗(yàn)探測裝置運(yùn)用四象限探測系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)較高精度的損傷閾值判別。

1 監(jiān)測系統(tǒng)裝置的搭建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，搭建以下實(shí)驗(yàn)裝置：

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖2 監(jiān)測材料激光損傷系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)的關(guān)鍵部分為監(jiān)測材料激光損傷系統(tǒng)，此系統(tǒng)選用四象限探測器作為光電探測裝置，后接上位機(jī)程序部分，以完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 基于散射光的激光損傷閾值監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的研究

首先調(diào)整損傷用激光器系統(tǒng)光路，損傷用激光器系統(tǒng)具有瞄準(zhǔn)激光，該瞄準(zhǔn)激光與損傷用激光同軸，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，二者聚焦到靶材的同一點(diǎn)上。其次調(diào)整監(jiān)測材料激光損傷系統(tǒng)中的光路，先將各透鏡、光闌、探測器和光闌調(diào)整后固定在同一高度，激光損傷閾值在線監(jiān)測系統(tǒng)中的探測光激光器發(fā)出連續(xù)可見光激光，經(jīng)一個(gè)4F 系統(tǒng)后，使其照射到靶面的激光損傷區(qū)域（與損傷用激光在靶材上同一作用點(diǎn)）。調(diào)整四象限探測系統(tǒng)和探測器前4F 系統(tǒng)的角度，使照明光源作用在靶材上時(shí)的反射光可以讓探測器全部接收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)。

光路調(diào)試完成后，在線監(jiān)測系統(tǒng)的四象限探測器時(shí)刻接收照明激光的散射波信號。打開損傷用激光器對靶材表面進(jìn)行輻照，當(dāng)靶材表面出現(xiàn)損傷時(shí)，照明激光的散射波將發(fā)生變化，使四象限探測器的四路信號電平產(chǎn)生突變，以此達(dá)到監(jiān)測損傷閾值的效果。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試結(jié)果圖

如圖3 所示為系統(tǒng)上位機(jī)聯(lián)調(diào)測試結(jié)果圖。初始時(shí)靶材表面相對光滑，雷達(dá)圖中的激光回波光束中心位置基本位于雷達(dá)圖中心，此時(shí)散射光沒有偏折。(b)時(shí)刻，靶材表面由于受到激光作用而發(fā)生形貌變化，靶材熔坑處的散射光發(fā)生偏移，雷達(dá)圖中激光回波光束中心位置偏移并遠(yuǎn)離雷達(dá)中心點(diǎn)，此時(shí)探測器接收到的光信號減弱。此系統(tǒng)靈敏度高，可以實(shí)時(shí)響應(yīng)散射光能量和位置的變化。

4 結(jié)論

提出了一種基于散射光的激光損傷閾值監(jiān)測的新方法，利用金屬鋁靶材對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)測試。測試結(jié)果表明，此測試系統(tǒng)原理簡單，測量方法可行，靈敏度高，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。本測試方法可以通過四象限探測器四路信號電平的變化來準(zhǔn)確的判定激光誘導(dǎo)鋁靶材的損傷閾值，提高了判定精度并易實(shí)現(xiàn)在線測量。