光學(xué)元件損傷的檢測(cè)和修復(fù)：傳統(tǒng)與深度學(xué)習(xí)（特邀）

李勇，李建郎，李展，劉德安，張大偉，張軍勇

（1 上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

（2 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海 201800）

0 引言

慣性約束核聚變可滿足人類對(duì)清潔、安全、取之不竭的能源的需求，被認(rèn)為是解決未來能源問題的有效途徑之一。利用高功率激光器輸出光束的聚焦能量對(duì)聚變材料點(diǎn)火是實(shí)現(xiàn)慣性約束核聚變的主要方式。目前很多國(guó)家都在積極開展和推動(dòng)相關(guān)方面的研究，如美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）［1］，法國(guó)的兆焦耳激光裝置（Laser Mégajoule，LMJ）［2］，以及中國(guó)的神光裝置等［3］。雖然每個(gè)國(guó)家所建立的高功率激光系統(tǒng)的形態(tài)、布局、結(jié)構(gòu)略微不同，但它們的基本原理，最后想要達(dá)成的目標(biāo)以及面臨的科學(xué)問題是基本相同的。

高功率激光裝置中集成了大量的大口徑光學(xué)元件，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間受到激光照射，在光學(xué)元件表面會(huì)發(fā)生損壞，研究者把這種損壞叫做激光誘導(dǎo)損傷（Laser-induced Damage，LID），簡(jiǎn)稱損傷（damage）。雖然初始損傷的尺寸和生長(zhǎng)速度較小，但只要損傷一旦形成，隨著激光的持續(xù)照射，接下來就會(huì)發(fā)生指數(shù)型增長(zhǎng)（即損傷點(diǎn)尺寸和程度成爆炸式增長(zhǎng)）。單個(gè)元件的損傷還可能引起下游元件的損傷，甚至影響整個(gè)裝置和實(shí)驗(yàn)的成敗。這些大口徑元件一般造價(jià)不菲，為了提高使用壽命，節(jié)約成本，保證實(shí)驗(yàn)正常運(yùn)行，及時(shí)檢測(cè)損傷并對(duì)相應(yīng)的損傷點(diǎn)進(jìn)行處理是很有必要的。準(zhǔn)確分類出損傷點(diǎn)的類型可以為損傷的產(chǎn)生和增長(zhǎng)的研究提供信息，也進(jìn)一步為整個(gè)光學(xué)元件回路回收利用提供基礎(chǔ)和保障。

NIF 是目前世界上最大、能量最高的高功率激光器系統(tǒng)，并且在此領(lǐng)域的大多數(shù)相關(guān)研究成果和報(bào)道都出自其所在實(shí)驗(yàn)室—美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL），所以本文主要以NIF 作為主要案例，展開對(duì)光學(xué)元件損傷的快速、精確檢測(cè)以及相應(yīng)的完善修復(fù)等相關(guān)方面的論述。主要通過對(duì)比和總結(jié)傳統(tǒng)方法和深度學(xué)習(xí)分別在損傷的檢測(cè)和修復(fù)領(lǐng)域的相關(guān)成果，并最終歸于光學(xué)循環(huán)回路策略的重要一環(huán)，突出了損傷檢測(cè)和修復(fù)的重要性以及發(fā)展的需要。

1 大口徑光學(xué)元件損傷

由于大口徑光學(xué)元件制作難度大且不易拆卸，所以在損傷檢測(cè)和修復(fù)中最值得重點(diǎn)關(guān)注。特別是位于靶室附近，在光路的末端存在最復(fù)雜的單元——終端光學(xué)組件（Final Optical Assembly，F(xiàn)OA）［4］，其在NIF中的結(jié)構(gòu)如圖1。FOA 具備實(shí)現(xiàn)激光倍頻和聚焦傳輸?shù)墓δ?，其中楔形焦點(diǎn)透鏡（Wedged Focus Lens，WFL）的作用是將1ω和2ω的光束分散并遠(yuǎn)離靶室，光柵碎片屏障（Grating Debris Shields，GDS）的作用是保護(hù)上游元件［5］。作為在整個(gè)光路中承受激光能量最高的部位，F(xiàn)OA 中的損傷是不可避免的。總之，F(xiàn)OA的重要且獨(dú)特的性能使研究者們特別重視并開展了大量研究。本文的重點(diǎn)亦是放在終端光學(xué)組件的損傷研究上。

關(guān)于損傷形態(tài)的分類有不同的方案，但基本形態(tài)有點(diǎn)狀、劃痕、貝殼狀、火山坑狀等。其中點(diǎn)狀又被稱為灰榛子（gray hazelet），主要是拋光液殘余物熱沉積作用引起的形變?cè)斐傻摹澓壑饕峭獠孔饔昧?dǎo)致的［6］。貝殼狀又稱蚌狀（mussel）。火山坑又稱紫羅蘭狀（pansy），這是元件在高通量激光照射下發(fā)生損傷的主要形態(tài)，也是損傷檢測(cè)和修復(fù)關(guān)注的重點(diǎn)。這些不同損傷的具體形態(tài)樣貌可以參考文獻(xiàn)［7］，另外AMORIN C 從形態(tài)方面將損傷更為細(xì)致地分為12 類［8］，也包含了上述類型。圖2 展示了一些上述文獻(xiàn)報(bào)道的損傷照片。由此可以看出不同類型的損傷在損傷形貌、尺寸大小上是不一樣的，但從度量上來說一般都是微納米級(jí)別。從激光入射方向不同可以分為入光面損傷和出光面損傷［9］。出光面的損傷增長(zhǎng)速度更快。損傷還可以分為真損傷和偽損傷［10-11］。真損傷就是實(shí)際存在的損傷點(diǎn)，偽損傷包括各種噪聲、其他雜散光的干擾、附著物等。真?zhèn)螕p傷給損傷的準(zhǔn)確識(shí)別帶來了挑戰(zhàn)。另外，不同材質(zhì)的元件損傷在修復(fù)方法上也有不同。

2 損傷的檢測(cè)

2.1 傳統(tǒng)的在線檢測(cè)和離線檢測(cè)

損傷的檢測(cè)主要是判斷損傷的有無、真假，檢測(cè)并定位出大小和位置，以及對(duì)形態(tài)進(jìn)行分類識(shí)別。光學(xué)元件損傷檢測(cè)技術(shù)按照應(yīng)用場(chǎng)景可分為離線檢測(cè)與在線檢測(cè)。離線檢測(cè)需要將被檢光學(xué)元件從實(shí)驗(yàn)裝置上拆卸下來，放在特定的檢測(cè)平臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)為檢測(cè)精度高，可以達(dá)到微米甚至亞微米的精度。但由于每次檢測(cè)都需要拆卸被檢元件，所以存在速度慢、效率低下等缺點(diǎn)。在線檢測(cè)也稱原位檢測(cè)，可以不用拆卸被檢元件，直接對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快、能實(shí)時(shí)監(jiān)控元件的狀態(tài)，缺點(diǎn)是檢測(cè)精度一般低于離線檢測(cè)。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在不同場(chǎng)合中需要使用不同的檢測(cè)方式，在有些情況下還需要結(jié)合使用才能取得滿意的結(jié)果。由于在線檢測(cè)應(yīng)用廣泛、效果好，對(duì)技術(shù)要求高，所以研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)在實(shí)時(shí)在線檢測(cè)上。

為了實(shí)時(shí)檢測(cè)光學(xué)元件在激光器運(yùn)行過程的狀態(tài)，1998年NIF 第一次開發(fā)了一種在線檢測(cè)裝置——終端光學(xué)損傷檢測(cè)（Final Optical Damage Inspection，F(xiàn)ODI）［12］，并于2007年對(duì)此在線檢測(cè)裝置進(jìn)行了升級(jí)完善［13］。FODI 系統(tǒng)主要包括成像系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)。精密成像系統(tǒng)安裝在靶室中心的高靈敏度定位器上，可以瞄準(zhǔn)每一束光以獲得對(duì)應(yīng)的損傷圖像，圖像均采用暗場(chǎng)成像技術(shù)加強(qiáng)損傷圖像對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件損傷的探測(cè)。完善后在線檢測(cè)裝置的探測(cè)能力和精度進(jìn)一步提高，可探測(cè)所有光學(xué)元件上尺寸大于50 μm 的損傷，測(cè)定損傷尺寸誤差小于15%，并能準(zhǔn)確定位損傷在實(shí)際光學(xué)元件中所處的位置［14］。

另外，照明技術(shù)是保證獲取高信噪比損傷成像的關(guān)鍵技術(shù)之一，且對(duì)損傷進(jìn)行成像的方式有明場(chǎng)成像與暗場(chǎng)成像之分。暗場(chǎng)成像是一種損傷區(qū)域在整個(gè)圖像中以亮斑點(diǎn)的形式呈現(xiàn)在暗背景中的技術(shù)。FODI采用暗場(chǎng)分時(shí)獨(dú)立側(cè)照明技術(shù)，可以保證只有被檢測(cè)的光學(xué)元件才使其打開側(cè)方向照明，由此減少周圍相鄰元件的干擾，提高檢測(cè)光學(xué)元件損傷的信噪比。在靶室的中心附近，使用六自由度機(jī)械臂（Six axis hexapod）能夠讓FODI 中的望遠(yuǎn)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)任意一路的終端光學(xué)組件，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的焦距可以進(jìn)一步指向FOA 中任意一塊光學(xué)元件并獲取圖像，在2 h 內(nèi)就可以完成192 路FOA 中光學(xué)元件的圖像收集。整個(gè)流程全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化完成，包括圖像的收集、損傷情況的分析與報(bào)表的產(chǎn)生［14］。在線檢測(cè)大致流程如圖3［15］。從圖中可以看出流程基本分為三個(gè)部分：離線標(biāo)定、在線獲取數(shù)據(jù)、后續(xù)處理。其中在線獲取數(shù)據(jù)也是所關(guān)心的內(nèi)容。其主要說明了FODI 中傳感器的主要工作方案和流程。

我國(guó)也基于FODI 的原理在中國(guó)工程物理研究院的帶領(lǐng)下研制了類似的在線檢測(cè)系統(tǒng)［16-20］，該系統(tǒng)根據(jù)FOA 在靶室中的分布位置，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)及定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大口徑光學(xué)元件組的遠(yuǎn)距離、高精度、實(shí)時(shí)快速檢測(cè)。法國(guó)LMJ 針對(duì)大口徑光學(xué)元件損傷檢測(cè)提出光柵掃描的方法［21］，并開發(fā)了新的監(jiān)控系統(tǒng)稱為靶室中心診斷模塊（Chamber Center Diagnostic Module，MDCC），其職能主要是檢測(cè)終端光學(xué)元件中真空窗（vacuum window）的激光損傷［22-24］。

最簡(jiǎn)單的離線檢測(cè)是暗場(chǎng)環(huán)境強(qiáng)光掠射照明目視法。另外常用的離線方法還有線掃描相位差分成像（Linescan Phase Differential Imaging，LPDI），一種能夠識(shí)別大孔徑光學(xué)體或表面相位缺陷的大面積暗場(chǎng)成像技術(shù)，該技術(shù)能夠獲得高對(duì)比度和高分辨率的激光損傷圖像［25-26］。

目前，由于在線檢測(cè)能夠?qū)崟r(shí)、優(yōu)秀檢測(cè)損傷，因此損傷檢測(cè)研究重點(diǎn)由離線檢測(cè)轉(zhuǎn)為在線檢測(cè)。由于傳統(tǒng)方法不僅耗費(fèi)大量人力物力，準(zhǔn)確度和精確度也有待提高，因此檢測(cè)方法由傳統(tǒng)方法更多的轉(zhuǎn)向深度學(xué)習(xí)相關(guān)方法。

2.2 深度學(xué)習(xí)與損傷檢測(cè)

近幾年，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在圖像處理、分類和識(shí)別上的優(yōu)勢(shì)被廣泛關(guān)注［27-30］，這一技術(shù)被用來分析和處理激光損傷檢測(cè)中出現(xiàn)的大量圖片數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)同樣適用于在線檢測(cè)和離線檢測(cè)，只要需要分析處理大量圖片的地方就需要深度學(xué)習(xí)。2008年LLNL 的科學(xué)家CARR A 等首次將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于入光面與出光面的損傷分類［9］。2010年LLNL 科學(xué)家ABDULLA G M 等將機(jī)器學(xué)習(xí)中集成的決策樹再次應(yīng)用到偽損傷的識(shí)別中［10］。2018年MILLER C F 等用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）和決策樹（Ensemble of Decision Trees，EDT）結(jié)合識(shí)別并分類小損傷點(diǎn)的特征［31］。圖4 為其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體來說，這種方法能夠識(shí)別并收集所有可能產(chǎn)生損傷的區(qū)域（候選區(qū)），并能識(shí)別最小為20 μm 直徑的損傷并分類（是否有粒子附著或者之前已修復(fù)過的位置）。深度學(xué)習(xí)的重要優(yōu)勢(shì)是自動(dòng)發(fā)現(xiàn)圖像屬性，有助于后續(xù)區(qū)分不同的圖像。這種混合深度學(xué)習(xí)技術(shù)是利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來提取基本屬性，利用決策樹來進(jìn)行分類，以確定光學(xué)元件上需要修復(fù)的特征。這為后續(xù)的修復(fù)工作提供了很多便利，也提高了回收元件的壽命。同樣，AMORIN C 等在2019年用混合深度學(xué)習(xí)來分類殘余損傷和12 類損傷形態(tài)［8］。與上述相似，其中CNN 能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和提取這12 類特征，然后EDT 成為最終的決策層，降低了誤差，提高決策的準(zhǔn)確度。這種新的混合深度學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)能夠明顯提高測(cè)量精度和準(zhǔn)確度，也是很多相關(guān)研究選擇的方法，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被普遍應(yīng)用于光學(xué)元件損傷的檢測(cè)中［32］。在深度學(xué)習(xí)中，基于U 型卷積網(wǎng)絡(luò)（convolutional networks with U-shaped architecture，U-net）圖像分割的表面缺陷檢測(cè)檢測(cè)模型可以在小樣本上進(jìn)行端到端訓(xùn)練，而不需要人工標(biāo)記或人工提取特征［33］。另外還有將機(jī)器學(xué)習(xí)算法支持向量機(jī)用于在線檢測(cè)［34］，使用機(jī)器學(xué)習(xí)其他算法進(jìn)行圖像拼接來篩選偽損傷［15］。圖像處理的相關(guān)算法也被應(yīng)用在損傷點(diǎn)形貌二維和三維重建上［35-36］，其中基于高斯濾波的全局閾值分割算法采用最小外接矩形法表示損傷的面積大小和位置坐標(biāo)信息，可輔助制定激光元件的緩解（修復(fù)）方案［35］。三維定位（損傷點(diǎn)在三維空間的位置）也是目前的研究難點(diǎn)和需要突破的地方，當(dāng)然也包括對(duì)損傷部位自身深度的測(cè)量［37］。綜上可知，目前損傷檢測(cè)在借助圖像處理相關(guān)算法和更深一步深度學(xué)習(xí)的算法。其目的是追求更高的檢測(cè)精度和對(duì)損傷點(diǎn)進(jìn)行分類判斷時(shí)的準(zhǔn)確度。這是發(fā)展的趨勢(shì)，值得重點(diǎn)關(guān)注。

2.3 傳統(tǒng)衍射環(huán)檢測(cè)并定位損傷

熱像是一種特殊的自聚焦效應(yīng)，是由上游光學(xué)元件的損傷點(diǎn)所引起的光束擾動(dòng)，它會(huì)對(duì)主光束進(jìn)行調(diào)制并破壞后續(xù)光路中的光學(xué)元件［38］。上游損傷點(diǎn)是激光傳輸過程中熱像的誘發(fā)因素，獲取損傷點(diǎn)的特點(diǎn)即可計(jì)算出熱像的位置及峰值光強(qiáng)。當(dāng)明場(chǎng)照明時(shí)上游光學(xué)元件的損傷點(diǎn)會(huì)在下游光路中引起特定的衍射環(huán)圖像。這在高功率激光器的FOA 中也很常見。通過2.1 節(jié)可知，F(xiàn)ODI是用直接獲取損傷圖像來進(jìn)行檢測(cè)的，而此處衍射環(huán)則是一種“間接”的方式來檢測(cè)上游元件上的損傷［39-42］。這種間接的方法也是檢測(cè)損傷的重要途徑。

衍射環(huán)圖案出現(xiàn)是激光入射的平面波和缺陷點(diǎn)產(chǎn)生的球面波之間的干涉的結(jié)果。距離環(huán)形圖案中心r距離的圖像像素的環(huán)強(qiáng)度I（r，R，z）是缺陷的半徑R和缺陷與下游光學(xué)之間的距離Z的函數(shù)，可表示為

式中，Jl（x）是第一類貝塞爾函數(shù)，λ是照明光的波長(zhǎng)。缺陷半徑R越大，產(chǎn)生的環(huán)的強(qiáng)度幅值越高，距離Z越大，環(huán)的半徑越大［38］。所以，通過檢測(cè)距衍射環(huán)圖案的中心r處的強(qiáng)度I可以反演出上游元件損傷的尺寸大小和位置（損傷點(diǎn)到衍射環(huán)的距離），這就是衍射環(huán)檢測(cè)熱像的主要原理。圖5 直觀地展示了這個(gè)原理。2005年LLNL 實(shí)驗(yàn)室首次提出了這種根據(jù)下游光學(xué)元件圖像中的衍射環(huán)來推斷上游光學(xué)元件損傷情況的新方法［38］。該方法首先在損傷圖像中檢測(cè)衍射環(huán)，原理就是通過式（1）計(jì)算上游損傷點(diǎn)的尺寸R。

2.4 深度學(xué)習(xí)與衍射環(huán)

傳統(tǒng)衍射環(huán)檢測(cè)方式是使用梯度相位匹配（Gradient Direction Matching，GDM）來檢測(cè)，通過使用衍射環(huán)的梯度相位與圓模板的梯度相位進(jìn)行匹配獲得匹配度最高的點(diǎn)。此外，基于GDM 的衍射環(huán)檢測(cè)方法需要選擇不同的模板來檢測(cè)不同尺寸的衍射環(huán)，在需要單次曝光實(shí)時(shí)處理的在線監(jiān)測(cè)環(huán)境中是不可接受的［39］。所以，2020年上海光機(jī)所李展等針對(duì)不需要模板匹配提出適用于衍射環(huán)檢測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Diffraction-Net，實(shí)現(xiàn)對(duì)重疊率大于61%的衍射環(huán)識(shí)別并且能夠檢測(cè)到最小的損傷尺寸為8 μm，這是利用深度學(xué)習(xí)對(duì)損傷點(diǎn)進(jìn)行三維定位的最新進(jìn)展之一［43］。這里提到的三維定位包括橫向定位與軸向定位，橫向定位涉及的是尺寸和橫向坐標(biāo)位置，軸向定位是指損傷點(diǎn)位于光路中的軸向位置。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6，圖中分類框是判斷該區(qū)域是否有衍射環(huán)，回歸框是對(duì)衍射環(huán)邊框進(jìn)行回歸劃分。這種方法能檢測(cè)尺寸差異大或重疊率高的多個(gè)衍射環(huán)，也說明深度學(xué)習(xí)與衍射環(huán)檢測(cè)損傷結(jié)合對(duì)三維定位有很好的效果。圖7 展示了其部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（a）～（f）表示不同衍射環(huán)間距的橫向定位檢測(cè)結(jié)果，黃框表示深度學(xué)習(xí)識(shí)別圓的置信概率。

之前的損傷檢測(cè)工作能對(duì)損傷的三維空間位置進(jìn)行定位，進(jìn)一步根據(jù)前面的定位信息開發(fā)了損傷重建模型（如圖8）。模型受到PhysenNet［44］啟發(fā)，使用物理模型擬合的方式，對(duì)衍射場(chǎng)的信息進(jìn)行逆衍射運(yùn)算，獲得損傷平面的復(fù)振幅分布。模型的輸入圖像是由DiffractionNet［43］計(jì)算獲得的Bounding Box 限制后的衍射環(huán)圖像，經(jīng)過一個(gè)深度為3 的U-net 對(duì)計(jì)算出逆衍射后的損傷平面的場(chǎng)分布Er。在網(wǎng)絡(luò)誤差計(jì)算方面，通過計(jì)算Er經(jīng)過z距離后衍射的場(chǎng)Eg的強(qiáng)度于輸入損傷強(qiáng)度的均方誤差（Mean Squared Error，MSE），對(duì)誤差進(jìn)行反向傳播訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，其中Eg=Er×H(z)，H(z)是距離z的菲涅爾衍射傳輸矩陣，z由文獻(xiàn)［43］中的holographic focusing 方法獲得。在每一個(gè)z的距離上每次訓(xùn)練只需要一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)就可以完成訓(xùn)練，極大減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的難度。

圖9 為基于圖8 得到的訓(xùn)練結(jié)果。模型使用60 mm 的衍射和120 mm 的衍射圖像進(jìn)行訓(xùn)練，然后隨機(jī)生成兩個(gè)損傷點(diǎn)，在60 mm 和120 mm 處計(jì)算出其衍射強(qiáng)度分布。將強(qiáng)度分布作為網(wǎng)絡(luò)輸入分別對(duì)其求出逆衍射，從結(jié)果可以看出，模型可以完整地獲得真實(shí)的損傷分布，損傷半徑誤差小于10 μm。結(jié)果說明了深度學(xué)習(xí)的優(yōu)越性和今后發(fā)展的可能。

上面所述的損傷檢測(cè)局限于光學(xué)元件的表面或者亞表面，其原因在于成像技術(shù)和數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)的限制。而傳統(tǒng)的三維損傷檢測(cè)對(duì)較大深度處的損傷檢測(cè)和重構(gòu)仍存在較大的技術(shù)難度，這是目前需要克服的難點(diǎn)之一。然而，深度學(xué)習(xí)給檢測(cè)乃至三維檢測(cè)帶來了技術(shù)上的改變和提升，這也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

3 損傷修復(fù)的方法和過程

既然高功率激光系統(tǒng)中光學(xué)元件的損傷不可避免，當(dāng)損傷發(fā)生且被識(shí)別和檢測(cè)到后，對(duì)損傷進(jìn)行修復(fù)以便能重復(fù)使用并節(jié)約成本則變得很有必要。目前的損傷修復(fù)方法主要基于用特定技術(shù)手段挖或削去損傷點(diǎn)在元件表面形成不規(guī)則的損壞的原理，主要包括微火焰加工、等離子體刻蝕、氫氟酸刻蝕［45］、CO2激光熔融［46-53］、微機(jī)械移除［54］等修復(fù)方式。微火焰加工和等離子體刻蝕需要在處理過程中通入四氟化碳?xì)怏w，這會(huì)造成元件的污染。氫氟酸刻蝕可對(duì)缺陷內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行鈍化，從一定程度上抑制損傷增長(zhǎng)。微機(jī)械修復(fù)是用機(jī)械銼削的方法削掉損傷區(qū)域，但這種方法會(huì)造成碎片濺射，形成二次損傷。在這些方法中，利用高功率CO2激光束輻照熔融損傷區(qū)域以減緩或消除損傷點(diǎn)的方法，是當(dāng)前抑制熔石英表面損傷點(diǎn)增長(zhǎng)最有效、成熟的一種手段，也是報(bào)道最多的方法。

3.1 CO2激光束熔融修復(fù)激光損傷

利用CO2激光束熔融是目前常見的修復(fù)損傷的方法，其原理為聚焦的激光對(duì)損傷點(diǎn)及附近區(qū)域進(jìn)行照射，使其在短時(shí)間內(nèi)被氣化蒸發(fā)或熔融，將此損傷點(diǎn)從不平整，不規(guī)則的形狀恢復(fù)到光滑狀態(tài)，從而達(dá)到改善元件的透過率。如圖10 所示，利用高功率CO2激光束連續(xù)或脈沖輻照熔融損傷區(qū)域，將元件上的損傷區(qū)域燒熔成一個(gè)錐，達(dá)到緩解或去除損傷的效果。這種方法被稱為快速熔融緩解（Rapid Ablation Mitigation，RAM）［55］。由于這種緩解是將損傷點(diǎn)熔覆成一個(gè)相對(duì)平滑的錐體區(qū)域，這種平滑后的錐體可以減緩或抵抗激光損傷的進(jìn)一步增長(zhǎng)。當(dāng)光學(xué)元件得到這種緩解處理后，可以重新安裝并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

根據(jù)CO2激光修復(fù)機(jī)理，可以分為蒸發(fā)式修復(fù)和非蒸發(fā)式修復(fù)［46］；按照激光波長(zhǎng)，可以分為利用CO2激光的4.6 μm 波長(zhǎng)的紅外輸出［47-48］或10.6 μm 波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外輸出［49］來修復(fù)；按照激光光斑尺寸，可以分為小光斑修復(fù)［47］、大光斑修復(fù)和可變光斑修復(fù)［50］；按照激光器的工作模式，可以分為連續(xù)式修復(fù)［51］和脈沖式修復(fù)［52-53］；按照修復(fù)區(qū)域可以分為單點(diǎn)修復(fù)、區(qū)域修復(fù)［50］及全口徑掃描修復(fù)［48］。要根據(jù)具體情況來選用不同的方法。一般來說，蒸發(fā)式會(huì)氣化產(chǎn)生碎片沉積，非蒸發(fā)式能修復(fù)的深度較?。恢屑t外波長(zhǎng)的激光可以損傷較深的損傷點(diǎn)，也能避免氣化，但這類激光器不常見；小光斑和大光斑沒有明確界限，通常大光斑能修復(fù)區(qū)域的尺寸和深度都較大；脈沖激光可以調(diào)節(jié)頻率，其峰值功率更高，有很大的優(yōu)勢(shì)，修復(fù)后的形貌更平滑；單點(diǎn)修復(fù)是針對(duì)單個(gè)損傷點(diǎn)，區(qū)域修復(fù)是在一定范圍內(nèi)有多個(gè)損傷點(diǎn)。針對(duì)不同尺寸的損傷點(diǎn)，也有不同的技術(shù)協(xié)議（protocol）來對(duì)應(yīng)解決［56］，具體見表1。從表中可以看出，協(xié)議名稱中涉及到該協(xié)議（方案）修復(fù)的直徑大小。另外通過分析表中入光面或出光面的數(shù)據(jù)，可以得出尺寸越大，CO2激光修復(fù)修復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。

表1 不同的修復(fù)協(xié)議［56］Table 1 Different repair protocols［56］

3.2 預(yù)修復(fù)檢測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)

在對(duì)某一個(gè)損傷點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)前，需要對(duì)它進(jìn)行預(yù)修復(fù)檢測(cè)，即檢測(cè)周圍有沒有之前修復(fù)過的地方（舊的錐）、附近有沒有損傷、最近的損傷點(diǎn)的距離。以及有沒有損傷點(diǎn)有重疊的部分或者相隔很近，在修復(fù)的時(shí)候就可以用一個(gè)錐來同時(shí)修復(fù)多個(gè)損傷點(diǎn)。這些判斷目前都是借助深度學(xué)習(xí)的方法。檢測(cè)完后就可以給它分配一個(gè)適合的修復(fù)方案（protocol）。而修復(fù)后要對(duì)它（新的錐）進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，即是否符合要求、有沒有殘余損傷。這也是修復(fù)的最終檢查環(huán)節(jié)。利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行分類時(shí)可能會(huì)有假陰性結(jié)果（識(shí)錐體沒有損傷，而實(shí)際存在損傷）和假陽性結(jié)果（在沒有殘余損傷的地方識(shí)別出殘余損傷），所以，LLNL 實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出用深度學(xué)習(xí)中的遷移學(xué)習(xí)來訓(xùn)練識(shí)別殘余損傷的網(wǎng)絡(luò)，用反向傳播來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)正確的特征（是否有殘余損傷）［56-57］?？傊?，預(yù)修復(fù)檢測(cè)和修復(fù)檢測(cè)目前基本可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)的方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化從而減少人力的需求，對(duì)比傳統(tǒng)的方式，深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)早已凸顯出來了。

4 光學(xué)循環(huán)回路策略

綜合上述損傷的檢測(cè)和修復(fù)，LLNL 實(shí)驗(yàn)室提出了光學(xué)循環(huán)回路策略（Optics Recycle Loop Strategy，ORLS），其流程如圖11。在此策略中，首先近乎完美的光學(xué)元件出廠后被安裝在光路中就開始了實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，其次通過圖中箭頭順序依次判斷損傷情況從而進(jìn)到不同的回路中。最后，不同回路的處理結(jié)果有所不同，但目的都是為了使元件能夠循環(huán)使用（其中菱形是與損傷有關(guān)的判斷點(diǎn)）［58］。光學(xué)循環(huán)策略的重點(diǎn)在于在損傷發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，一旦被檢測(cè)到后會(huì)根據(jù)損傷情況進(jìn)行快速判斷是否修復(fù)或更換。及時(shí)檢測(cè)損傷并提高檢測(cè)精確度和準(zhǔn)確修復(fù)損傷對(duì)高功率激光裝置的正常運(yùn)行有重要的意義。值得注意的是2019年哈爾濱工業(yè)大學(xué)魏富鵬等針對(duì)光學(xué)循環(huán)回路策略中的損傷點(diǎn)的檢測(cè)判斷，開展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的光學(xué)元件損傷高精度、快速檢測(cè)技術(shù)相關(guān)研究，克服了大視場(chǎng)范圍內(nèi)微小損傷高信噪比成像技術(shù)難點(diǎn)［59］。此后，越來越多相關(guān)人員開始關(guān)注到光學(xué)循環(huán)回路策略這一具有重要意義的工具，并且將人工智能領(lǐng)域中的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)與之結(jié)合起來，使這一領(lǐng)域有了新的突破和方向，為后續(xù)研究提供了保障和助力。

根據(jù)圖11 可知，按照損傷程度的不同可以選擇三種對(duì)應(yīng)的解決方案：1）使用阻擋器阻擋原有的損傷部位；2）修復(fù)被檢測(cè)出存在損傷的光學(xué)元件；3）供應(yīng)商返修。三種方案大致原理是：首先判斷能否在光路中加入阻擋器（Blocker），其作用是在損傷部位對(duì)應(yīng)的光束部位前方產(chǎn)生屏障，使得激光不會(huì)再次照射到這個(gè)損傷點(diǎn)。當(dāng)阻擋器的總遮光面積超過允許的最大值時(shí)，就不能使用阻擋，而需要將光學(xué)元件拆卸下來［60］。拆下后，相關(guān)離線裝置會(huì)對(duì)其進(jìn)行緩解（Mitigation）修復(fù)，也就是采用CO2激光對(duì)損傷部位進(jìn)行熔融處理（圖11 的中間環(huán)路，藍(lán)色箭頭表示環(huán)路）。如果該損傷點(diǎn)的面積大到不能進(jìn)行熔融修復(fù)的程度，這時(shí)應(yīng)返給供應(yīng)商，供應(yīng)商拋光去除有損傷的表面，得到比之前更薄的元件，然后進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)就可以安裝在激光光路上其他需要的位置，達(dá)到循環(huán)使用的目的。如果光學(xué)元件已經(jīng)太薄不能繼續(xù)拋光，則只能報(bào)廢（圖11 的最外環(huán)路），最后用新的完美的光學(xué)元件替換［58，60］。在在線檢測(cè)方面，F(xiàn)ODI 中的光學(xué)元件檢查軟件可以持續(xù)跟蹤損傷增長(zhǎng)部位的尺寸。最內(nèi)回路可以持續(xù)運(yùn)行，直到任何被檢查區(qū)域的大小達(dá)到需要采取行動(dòng)以防止該區(qū)域增長(zhǎng)到不可修復(fù)的大小（大于300 mm）為止。持續(xù)分析損壞部位的數(shù)據(jù)，以確定何時(shí)應(yīng)封鎖或阻擋該部位，何時(shí)應(yīng)移除光學(xué)元件。通過損傷增長(zhǎng)模型可以預(yù)測(cè)未來激光照射可能導(dǎo)致哪些損傷點(diǎn)面積的增加。

由此可以看出，光學(xué)循環(huán)回路策略的基本要素有：使用能夠抗損傷的光學(xué)元件；識(shí)別已損壞的光學(xué)元件上損傷點(diǎn)的位置和大?。蛔钃跞肷涔獾焦鈱W(xué)元件的損壞區(qū)域；用替換光學(xué)元件快速更換損壞的光學(xué)元件；修復(fù)或拋光損壞的光學(xué)元件?？傊?，在此策略中，關(guān)鍵判斷點(diǎn)是損傷點(diǎn)的損傷情況，關(guān)鍵的處理損傷操作是阻擋或修復(fù)。這也是本文討論的重點(diǎn)和今后研究的趨勢(shì)。高功率激光系統(tǒng)中大口徑元件的損傷不可避免［61］，相關(guān)科研人員唯有在預(yù)防、實(shí)時(shí)監(jiān)控（在線檢測(cè)）、及時(shí)有針對(duì)性的修復(fù)和回收利用等方面不斷努力。

5 結(jié)論

高功率激光器中的元件損傷較為常見且不可避免，尤其在終端光學(xué)組件中。這些元件造價(jià)昂貴、用途重要。所以，提高元件的使用壽命，達(dá)到循環(huán)使用的意義重大。光學(xué)循環(huán)回路策略由此而生，該策略的重點(diǎn)是盡可能及時(shí)修復(fù)小的損傷，避免損傷增長(zhǎng)。而修復(fù)損傷的前提和關(guān)鍵是準(zhǔn)確檢測(cè)到這些小的損傷。FODI 是目前比較常見的在線檢測(cè)裝置，而結(jié)合衍射環(huán)等能夠比較精確檢測(cè)并計(jì)算出微小損傷點(diǎn)的尺寸和位置，從而實(shí)現(xiàn)定位，為后面修復(fù)提供基礎(chǔ)。隨著深度學(xué)習(xí)中的圖像識(shí)別和分類技術(shù)被廣泛應(yīng)用，在檢測(cè)損傷得到相關(guān)圖像的后續(xù)處理中，深度學(xué)習(xí)能夠幫助提高效率，同時(shí)結(jié)合不同算法和模型來實(shí)現(xiàn)很好的識(shí)別、分類、檢測(cè)，這些已然成為目前研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。結(jié)合深度學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器損傷識(shí)別修復(fù)流程的自動(dòng)化處理，極大減少了處理光學(xué)元件所需的操作時(shí)間?？傊鈱W(xué)元件損傷檢測(cè)和修復(fù)已經(jīng)向著在線檢測(cè)提高分辨率、深度學(xué)習(xí)幫助提高分類準(zhǔn)確度和精確三維定位方向發(fā)展。