(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210730152.1 (22)申请日 2022.06.24 (71)申请人 中国科学院上海光学精密机 械研究 所 地址 201800 上海市嘉定区清河路390号 (72)发明人 刘晓凤　赵元安　柯立公　李大伟　 徐光　朱翔宇　徐子媛　连亚飞　 朱美萍　邵建达　 (74)专利代理 机构 上海恒慧知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 31317 专利代理师 张宁展 (51)Int.Cl. G01M 11/02(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01N 21/84(2006.01) (54)发明名称 皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤 阈值测试装置及方法 (57)摘要 一种皮秒激光光学元件的全角度真空激光 损伤阈值测试装置与方法， 包括光学元件固定系 统， 损伤用皮秒激光系统， 皮秒激光损伤监测系 统和激光防护模块； 该装置中与真空环境相关的 在线CCD成像系统和待测光学元件放置角度固 定， 将需要调节的部分限制在调节自由度比较大 的空气环 境， 通过利用旋转和上下移动的偏振片 方便地实现了真空环境中皮秒激光光学元件的 全角度激光损伤测试， 避免了涉及真 空环境调节 不便的问题。 该方法在测试区域内采用光斑叠合 测试方法， 并结合多脉冲辐照考察损伤的稳定 性， 能够准确评估光学元件在皮秒 激光应用下可 安全承受的能量密度。 权利要求书3页 说明书6页 附图2页 CN 115127781 A 2022.09.30 CN 115127781 A 1.一种皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置， 其特征在于， 包括： 光 学元件固定系统， 损伤用皮秒激光系统， 皮秒激光损伤监测系统和激光防护模块； 所述光学元件固定系统， 包括圆形真空腔体(124)、 位于该圆形真空腔体(124)内的光 学元件固定装置以及控制该光学元件位置的二维调整机构， 所述光学元件固定装置用于固 定待测光学元件(123)， 使 所述待测光学元件(123)的法线 方向与水平方向顺时针成45 °； 在 所述圆形真 空腔体(124)上分别设有与待测光学元件(123)法线夹角成70 °、 63°、 45°、 23°的 70°入射光管道(115)、 63 °衍射光管道(116)、 45 °入射光管道(119)、 45 °反射光管道(126)、 23°入射光管道(12 2)、 23°透射光管道(128)； 所述损伤用皮秒激光系统， 包括皮秒激光器(101)、 能量调节器(102)、 快门(103)、 半波 片(104)， 偏 振片(106)、 第一45 °反射镜(113)、 第二聚焦透镜(114)、 第三聚焦透镜(118)、 第 二45°反射镜(120)和第四聚焦透 镜(121)； 所述皮秒激光损伤监测系统， 包括计算机(112)、 第一单面增透膜(105)、 第二单面增透 膜(108)、 能量计(110)、 第一聚焦透镜(109)、 位于该第一聚焦透镜(109)焦点位置的光束质 量分析仪(111)以及位于所述待测光学元件(123)的法线 方向且与所述圆形真空腔体(124) 相连的在线CCD成像系统(125)， 所述计算机(112)分别与所述能量调节器(102)、 快门 (103)、 能量计(110)、 光束质量分析仪(111)、 偏振片(106)、 在线CCD 成像系统(125)和光学 元件固定装置相连； 所述激光防护模块， 包括第一吸收池(107)、 第二吸收池(117)、 第三吸收池(127)、 第四 吸收池(129)； 分别放置于偏振片(106)的透射光方向以及63 °衍射光管道(116)、 45 °反射光 管道(126)、 23 °透射光管道(128)的出口位置； 所述皮秒激光器(101)输出的激光依次经过能量调节器(102)、 快门(103)和半波片 (104)后， 入射到所述第一单面增透膜(105)， 经该第一单面增透膜(105)透射的透射光入射 到所述偏振片(10 6)， 该偏振片(10 6)由计算机(1 12)控制， 实现上 下移动或角度旋转； 当所述偏振片(106)的法线方向与入射激光逆时针夹角成 ‑57.5°时， 经该偏振片(106) 反射的第一发射光依次经所述第一45 °反射镜(113)、 第二聚焦透镜(114)和70 °入射光管道 (115)辐照 所述待测光学元件(123)表面， 经该待测光学元件(123)衍射的衍射光通过所述 63°衍射光管道(1 16)由第二吸 收池(117)吸收； 当所述偏振片(106)的法线方向与入射激光夹顺时针角成56 °时， 经该偏振片(106)反 射的第二发射光依次经所述第二45 °反射镜(120)、 第四聚焦透镜(121)和23 °入射光管道 (122)辐照 所述测试光学元件(123)表面， 经该待测光学元件(123)透射的透射光通过所述 23°透射光管道(128)由第四吸 收池(129)吸收； 当所述偏振片(106)移出光路时， 经所述第一单面增透膜(105)透射的透射光依次经所 述第三聚焦透镜(118)和45 °入射光管道(119)辐 照所述待测光学元件(123)表 面， 经该待测 光学元件(123)反射的反射 光通过45°反射光管道(126)由第三吸 收池(127)吸 收； 经所述第一单面增透膜(105)反射的反射光入射到所述第二单面增透膜(108)， 经该第 二单面增透膜(108)透射的透射光入射到所述能量计(110)， 经该第二单面增透膜(108)反 射的发射 光， 经所述第一聚焦透 镜(109)聚焦后， 入射到光束质量分析仪(1 11)上。 2.根据权利要求1所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置， 其 特征在于， 所述的第一单面增透膜(105)和第二单面增透膜(108)互相平行放置， 且所述的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115127781 A 2第一单面增透膜(10 5)和第二单面增透膜(108)的前表面未镀膜， 后表面均镀增透膜。 3.根据权利要求1所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试， 其特征 在于， 所述第一聚焦透镜(109)、 第二聚焦透镜(114)、 第三聚焦透镜(118)、 第 四聚焦透镜 (121)的透 镜焦距一 致。 4.根据权利要求1 ‑3任一所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤测试装置， 其特征在于， 所述能量调节器(102)用于改变光路中传输激光的能量大小， 所述快 门(103) 用于控制光路中激光的通断， 所述半波片(104)用于将光路中的激光转为垂 直偏振激光， 所 述第一单面增透膜(10 5)小角度放置用于 激光取样。 5.根据权利要求1 ‑3任一所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤测试装置， 其特征在于， 所述偏振片(106)在56 °～57.5°工作角度下消光比≥100:1， 通过旋转和上下 移动实现激光以70 °、 45°、 23°的入射角度辐照于所述待测光学 元件(123)。 6.利用权利要求1 ‑5任一所述的皮秒激光光学元件的全角度真空损伤阈值测试装置进 行皮秒激光损伤阈值测试的方法， 其特 征在于， 该 方法包括下列步骤： ①计算机(112)按测试需求控制偏振片(106)选择三种状态中的一种： 旋转到 ‑57.5°、 或56°或向上移出光路； ②计算机(112)控制皮秒激光器(101)以最优固定频率出光， 将圆形真空腔体(124)抽 真空； ③计算机(112)控制所述能量调节器(102)调节激光能量使得辐照所述待测光学元件 (123)的初始激光能量密度不超过 所述待测光学 元件(123)的皮秒本征损伤阈值； ④计算机(112)设置光学元件固定装置的运动轨迹和水平方向的运动速度， 使辐照在 待测光学 元件(123)的激光 光斑在～1cm2的测试区域内按照峰值能量密度的90％重 叠； ⑤计算机(112)控制 所述快门(103)打开， 同时控制 所述能量计(110)和所述光束质量 分仪(111)实时采集能量数据E和光斑数据 A， 获取当前测试的能量密度F＝E ×N/A， 其中N分 光比， 等于同一时刻辐 照于所述待测光学元件(123)的能量与所述能量计(110)采集能量的 比值； ⑥计算机(112)控制在线CCD成像系统(125)实时诊断所述待测光学元件(123)损伤与 否； ⑦当计算机(112)检测到所述待测光学元件(123)的运行到 ④中设置的运动轨迹的最 后一个位置坐标时， 则所述待测光学 元件(123)停止运动， 并关闭所述快门(10 3)； ⑧计算机(112)统计所述1cm2测试区域内出现的损 伤点数D及其损 伤点的位置坐标： 若 当前1cm2测试区域未出现损伤点， 则进行 ⑨； 若当前1cm2测试区域出现损伤点， 则所述计算 机(112)控制所述待测光学元件(123)按照记录的损伤点位置坐标依次定位到损伤点并控 制所述快门(103)使 得S个脉冲辐 照所述定位的损伤点， 同时所述在 线CCD成像系统(125)进 行实时诊断， 若所述损伤点没有发生变化则判定损伤点稳定， 否则判定所述损伤点不稳定， 直到所述所有损伤点均完成S个脉冲辐照， 再进行 ⑨； ⑨移动所述待测光学元件(123)至下一个测试 区域， 所述计算机(112)根据已测区域的 损伤情况， 调节所述能量调节器(102)从而降低或者提高辐 照所述待测光学元件(123)的激 光能量， 重复 ④～⑧， 直