CN117906913A - 一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置及方法，用于高功率光学元件可靠性筛选；所述装置由高功率激光发射系统、多维电动位移平台、高功率激光截止系统、在线损伤探测系统、实时光束质量探测系统等组成。该装置利用高功率激光束对大口径光学元件进行自动化连续扫描辐照筛选，通过实时光束质量探测系统表征被测光学元件的表面形貌变化和通过在线损伤探测系统获取被测光学元件在激光辐照下其表面的温度变化信息，由此解决了热成像法无法检测被测光学元件本身表面带有的瑕疵问题和显微成像法、散射法等无法测量微小级别的热形变问题，且通过实时光束质量探测系统和在线损伤探测系统得出被测光学元件的激光负载能力。

Description

一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置及方法

技术领域

本发明属于光学元件检测技术领域，更具体地，涉及一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置及方法。

背景技术

在高功率激光装置中，光学镜片（包括光学基片和镀膜）可以实现特定波长下光的透过、反射、偏振、分束、聚焦、扩束、合成等功能，有效提高激光装置输出的各项性能指标，控制激光的指向性和稳定性，是高功率激光装置的核心器件。

近年来，随着激光功率等级的不断提升，光学元件承受着更高的通量和运行时间，这给光学元件提出了更高的性能要求。未经筛选的光学元件在高功率激光作用下容易产生损伤、异常温升、形变并导致性能退化，影响到激光装置的输出指标。甚至在高功率强激光辐照作用下，发生熔融或者破裂等情况，引起不希望的强杂光散射或强光透射，对整个激光装置内部系统造成灾难性的故障。同时，光学镜片在加工、制备、存储和使用等各个环节都不可避免的引入缺陷或者杂质。因此，对高功率激光设备使用的光学元件进行高功率激光负载能力检测筛选显得尤为重要。

中国发明CN201110365740.1公开了一种基于激光束主动扫描的光学元件表面疵病检测系统，该发明依靠二维转动的导向镜将激光对光学表面进行主动扫描，多个光电探头遍布在光学元件四周探测光学表面疵病带来的散射。中国发明CN201911259313.8公开了一种光学元件亚表面缺陷的多通道原位检测装置及检测方法，所述装置包括由荧光共聚焦成像系统、荧光寿命成像系统、光热吸收成像系统三个通道构成，所述方法过计算目标缺陷点荧光发出的荧光寿命作为像的对比度，对目标缺陷点所处微环境中的物理参数进行定量测量，可反映缺陷吸收激光能量后的荧光辐射/非辐射跃迁过程。同时光热吸收检测技术通过探测光学材料表面受泵浦光加热后产生的热形变来获取表面微弱吸收。

但由于光学元件在激光照射下不可避免地存在激光吸收，出现热量积累和温度梯度，发生热形变导致元件面形参数变化，且光学元件为精密仪器，温度累计造成光学元件的10nm级的形变也影响其性能，通过散射法检测较难检测出由于热形变带来的面形参数变化，而热成像法可检测热形变导致的面形参数变化，但是对于光学元件加工不均匀等问题导致的表面瑕疵问题较难检测，显微成像法对于10nm级别或者更小级别的光学元件表面形变较难检测，且显微成像法适用于特定光学元件表面形变类型，如划痕、凹坑等，对于光学元件表面热形变的微小胀起较难检测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置及方法，装置包括实时光束质量探测系统和在线损伤探测系统，通过实时光束质量探测系统表征被测光学元件的表面形貌变化和通过在线损伤探测系统获取被测光学元件在激光辐照下其表面的温度变化信息，由此解决了热成像法无法检测被测光学元件本身表面带有的瑕疵问题和显微成像法、散射法等无法测量微小级别的热形变问题，且通过实时光束质量探测系统和在线损伤探测系统得出被测光学元件的激光负载能力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，，包括高功率激光发射系统、多维电动位移平台、实时光束质量探测系统、在线损伤探测系统和高功率激光截止系统，其中；

所述实时光束质量探测系统包括高光束质量激光器、聚焦透镜和CCD；所述高光束质量激光器发射高光束质量激光辐射于被测光学元件上，且经被测光学元件反射至所述聚焦透镜上，所述CCD探测面位于聚焦透镜的焦平面上，通过所述CCD记录测量经被测光学元件反射的高光束质量激光于聚焦透镜上的光斑位置及大小，实现了表征被测光学元件的表面形貌变化；

所述在线损伤探测系统包括红外相机及配套计算机；通过所述红外相机测量获取被测光学元件在激光辐照下其表面的温度变化信息，通过所述配套计算机对红外相机测量获取的温度变化信息储存分析并生成温度与时间曲线；

通过所述CCD记录的高光束质量激光的光斑位置变化信息表征被测光学元件的表面形貌变化，且通过所述CCD记录的高光束质量激光的光斑位置变化信息结合所述红外相机测量获取的温度变化信息，由此实现了所述配套计算机得出被测光学元件的激光负载能力；

进一步的，所述在线损伤探测系统还包括可见光显微相机，所述可见光显微相机与配套计算机连接，且所述可见光显微相机上设有用于提高拍照和录像成像质量的补光灯，通过所述可见光显微相机记录被测光学元件表面的形貌变化信息；

进一步的，所述多维电动位移平台包括用于承载被测光学元件的载物平台，所述载物平台上设有用于固定连接被测光学元件的工装；

进一步的，所述多维电动位移平台还包括多维度运动单元，所述多维度运动单元与载物平台连接，且包括多个维度的运动/转动轴，通过所述运动/转动轴带动所述载物平台运动；

进一步的，所述多维电动位移平台还包括控制箱体，所述控制箱体带有配套的计算机，通过其控制多维度运动单元的多个维度的运动/转动轴以配套的计算机上设定的速度及运动轨迹进行运动；

进一步的，所述高功率激光发射系统包括万瓦级光纤激光器，通过所述万瓦级光纤激光器产生高功率激光；

进一步的，所述万瓦级光纤激光器设有用于保持万瓦级光纤激光器产生的高功率激光在调整光斑大小时保持方向的激光准直头；

进一步的，所述高功率激光发射系统还包括激光光束调节装置，所述激光光束调节装置包括多块可调透镜组，通过所述多块可调透镜组对万瓦级光纤激光器产生的高功率激光进行激光光斑大小调整；

进一步的，所述高功率激光发射系统还包括光纤激光器配套水冷机，所述光纤激光器配套水冷机与万瓦级光纤激光器以及激光光束调节装置连接；

进一步的，所述高功率激光截止系统包括折转镜，所述折转镜设于经被测光学元件反射或透射的高功率激光通路上；

进一步的，所述高功率激光截止系统还包括筒状激光收集器，所述筒状激光收集器设于经折转镜改变高功率激光光束的通路方向上，所述筒状激光收集器底部为表面抛光的反射锥体，筒侧壁发黑粗糙工艺处理，且内部挖有水道，通过所述筒状激光收集器截止高功率激光；

进一步的，所述高功率激光截止系统还包括扩束镜，所述扩束镜设于经折转镜改变高功率激光光束的通路方向上且于筒状激光收集器前端；

进一步的，所述高功率激光截止系统还包括配套激光水冷机，所述配套激光水冷机与筒状激光收集器连接，通过所述配套激光水冷机降低筒状激光收集器由于吸收高功率激光所升高的温度；

另一方面，本发明提供一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选方法，包括如下步骤：

S1、将清洁后的被测光学元件放置于载物平台上并与工装固定连接，开启万瓦级光纤激光器产生高功率激光并调整其峰值功率密度和输出波长等，并开启高光束质量激光器产生高光束质量激光，将所述高光束质量激光和高功率激光共同作用在被测光学元件同一点上，进一步的，通过激光光束调节装置调节高功率激光的光斑大小；

S2、根据被测光学元件实际工作范围和功率负载确定其扫描范围、激光作用的中心坐标以及扫描被测光学元件的速度，将上述参数连同被测光学元件曲率输入到控制箱体配套的计算机运动控制程序中获得被测光学元件共球心的运动扫描轨迹；

S3、检查高功率激光和高光束质量激光反射位置是否符合要求，且调整红外相机和可见光显微相机，所述多维电动位移平台带动被测光学元件呈“S”往返运动，完成测试区域内的扫描；

S4、在扫描测试过程中通过配套计算机实时保存并监测时间坐标关系、可见光显微相机录像、红外相机测量温度数据及CCD测量记录的高光束质量激光光斑大小及位置数据，并通过上述数据综合给出所筛选镜片高功率负载能力；

14.进一步的，步骤S2，所述的扫描被测光学元件的速度为：

;

式中，v为扫描被测光学元件的速度；ω _eff 为高功率激光有效光斑半径，即为在被测光学元件靶平面测试的高功率激光功率密度超过实际负载激光峰值功率密度的最大光斑半径，其大小通过可见光显微相机测得；t为单点辐照时间，即为被测光学元件某一点接受超过实际负载激光所停留的时间；

进一步的，步骤S2，所述的激光作用的中心坐标获得方法包括：将被测光学元件固定在载物平台后，激光导引光作用在被测光学元件边缘，记录此时的边缘坐标，边缘坐标减去被测光学元件尺寸的一半即为镜片中心坐标。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的实时光束质量探测系统通过CCD记录的高光束质量激光的光斑位置变化信息表征被测光学元件的表面形貌变化，解决了热成像法无法检测被测光学元件本身表面带有的瑕疵问题和显微成像法、散射法等无法测量微小级别的热形变问题，且通过所述CCD记录的高光束质量激光的光斑位置变化信息结合在线损伤探测系统的红外相机测量获取的温度变化信息，由此实现了所述配套计算机得出被测光学元件的激光负载能力。

2.本发明的多维电动位移平台包括多维度运动单元，所述包括多维度运动单元设有多个维度的运动/转动轴，通过多个维度的运动/转动轴带动被测光学元件进行运动，使被测光学元件的工作范围被激光全覆盖，实现了对被测光学元件的检测筛选从点检测优化为面测试，避免了对被测光学元件的激光负载能力检测筛选时的漏检及错检，极大地提高了检测筛选的准确性，且多个维度的运动/转动轴可完成实现针对不同类型的被测光学元件进行设计的不同检测筛选实验方案，提高了本发明装置检测筛选的准确性及适用性。

3.本发明的在线损伤探测系统包括红外相机、可见光显微相机和配套计算机，通过在线损伤探测系统的高精度的红外相机和可见光显微相机实现精准的获取被测光学元件表面的温度信息和形貌信息，如温度高低信息、高温区域大小等信息，并配合实时光束质量探测系统检测记录的高质量光束的光斑位置变化信息，如高质量光束的光斑位置偏移大小、偏移速度等相关信息，实现了得出了由于10nm级别和类似微小级别热形变导致的被测光学元件表面形貌微小变化与被测光学元件6表面温度的关系，由此可以得出被测光学元件的激光负载能力，由此对于被测光学元件的研究检测更具有全面性。

4.本发明的高功率激光截止系统包括筒状激光收集器、扩束镜和配套激光水冷机，通过筒状激光收集器收集衍射或透射的激光，通过扩束镜扩大了所述筒状激光收集器收集衍射或透射的激光光束光斑，由此扩大了激光光束直径从而降低了激光的功率密度，降低了筒状激光收集器的损坏风险，增加了本发明装置在使用过程中的安全性；且通过配套激光水冷机与筒状激光收集器内部水道配合，防止了筒状激光收集器由于激光吸收导致温度过高造成的损坏，提高了本发明装置使用过程中的安全性与稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的高功率激光发射系统结构示意图；

图3为本发明实施例一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的实时光束质量探测系统结构示意图；

图4为本发明实施例一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的在线损伤探测系统结构示意图；

图5为本发明实施例一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的高功率激光截止系统结构示意图；

图6为本发明实施例一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的激光传递方向示意图；

图7为本发明实施例一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的被测光学元件运动轨迹示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-高功率激光发射系统、2-多维电动位移平台、3-实时光束质量探测系统、4-在线损伤探测系统、5-高功率激光截止系统、6-被测光学元件、101-万瓦级光纤激光器、102-光纤激光器配套水冷机、103-激光光束调节装置、104-激光准直头、105-高功率激光、201-多维度运动单元、202-控制箱体、203-载物平台、301-高光束质量激光器、302-高光束质量激光、303-聚焦透镜、304-CCD、401-可见光显微相机、402-红外相机、403-配套计算机、501-折转镜、502-扩束镜、503-筒状激光收集器、504-配套激光水冷机、601-扫描行间距。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见如图1-5，本发明一个实施例提供一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，包括高功率激光发射系统1、多维电动位移平台2、实时光束质量探测系统3、在线损伤探测系统4和高功率激光截止系统5；通过所述高功率激光发射系统1产生激光照射到被测光学元件6上，同时实时光束质量探测系统3的高光束质量激光器301发射一束平行参考激光，通过多维电动位移平台2带动被测光学元件6进行平面运动，完成被测光学元件6的测试区域的扫描，同时实时光束质量探测系统3和在线损伤探测系统4进行探测被测光学元件6表面是否具有形变，其中，所述在线损伤探测系统4包括红外相机402和配套计算机403，通过所述红外相机402和配套计算机403可以测量记录被测光学元件6检测区域的温度与时间曲线，所述实时光束质量探测系统3包括聚焦透镜303和CCD304，所述CCD304设置于聚焦透镜303的焦平面，通过CCD304检测高光束质量激光器301发射的平行参考激光经被测光学元件6反射后于聚焦透镜303上焦平面聚焦后平行参考激光的光斑大小和位置变化情况，表征被测光学元件6在高功率激光105辐照下的表面形变，由此在检测被测光学元件6表面是否带有加工过程中导致的瑕疵问题的同时可以检测出被测光学元件6由于存在激光吸收发生热形变导致的微小级别形变，提高了本发明对被测光学元件6的测试灵敏度且上述方式直接反应了被测光学元件6表面的形变，相较于成像法、散射法等置信度更高，且通过记录的CCD304上的光斑位置数据配合红外相机402和配套计算机403记录的温度与时间曲线能获得被测光学元件6的温度负载能力。

参见如图2，高功率激光发射系统1包括万瓦级光纤激光器101、光纤激光器配套水冷机102和激光光束调节装置103；其中，所述万瓦级光纤激光器101包括激光准直头104，通过所述万瓦级光纤激光器101产生高功率、高峰值功率密度的激光辐照在被测光学元件6表面上，其最大输出激光功率≥10kW，连续使用时间应不低于3h/次，其峰值功率密度需达到被测光学元件6实际负载功率密度等级且所述万瓦级光纤激光器101输出波长应在被测光学元件6的适用波长范围内；所述激光光束调节装置103主要包括多块可调透镜组，其与所述万瓦级光纤激光器101的激光准直头104相连接，通过调节可调透镜组之间的相对位置，从而调节万瓦级光纤激光器101输出激光光斑大小；所述光纤激光器配套水冷机102为万瓦级光纤激光器101、激光准直头104和激光光束调节装置103提供冷却。

参见如图3，在对被测光学元件6进行检测时，通过万瓦级光纤激光器101产生高功率激光105辐照于被测光学元件6表面上，对被测光学元件6的工作范围进行无差别的辐照测试，来等效被测光学元件6实际使用中激光负载工况，且产生的激光能够在峰值功率密度与输出波长等层面满足被测光学元件6参数需求，且其输出激光功率可调节，实现了适用于不同参数需求的被测光学元件6，提高了本发明装置的适用性，同时通过激光光束调节装置103包括的多块可调透镜组实现了万瓦级光纤激光器101产生的激光的光斑大小可选，使高功率激光发射系统1提供的激光可以满足多种测试需求，提高了本发明装置的适用性，通过激光准直头104保证了在调整光斑大小的同时，产生的激光保持方向准直，保证了高功率激光发射系统1在使用过程中的稳定性，光纤激光器配套水冷机102为万瓦级光纤激光器101、激光准直头104和激光光束调节装置103提供冷却，保证了在高功率激光发射系统1使用过程中的稳定性。

参见如图1，多维电动位移平台2包括多维度运动单元201、控制箱体202和载物平台203，其中，所述多维度运动轴包括X轴运动轴、Y轴运动轴、Z轴运动轴、水平转动轴和垂直转动轴，从下到上分别为由下至上依次为X轴运动轴、Y轴运动轴、Z轴运动轴、水平转动轴和垂直转动轴，多个维度的运动/转动轴可同时独立运动，具体的，X轴运动范围0-1.5m，Y轴运动范围0-0.3m，Z轴运动范围0-0.3m，转动动轴转动范围-15°至15°；所述载物平台203同光学面包板类似，设置于多维度运动单元201的垂直转动轴上，所述载物平台203上设有固定被测光学元件6的工装；所述控制箱体202连接多个维度的运动/转动轴，包括配套的计算机，控制多个维度的运动/转动轴以配套的计算机上设定的速度及运动轨迹进行运动。

优选的，在对被测光学元件6进行激光负载能力筛选时，对于平面型被测光学元件6，扫描过程中主要由X轴运动轴和Z轴运动轴进行运动；对于曲面型被测光学元件6，除了X轴运动轴和Z轴运动轴的运动外，水平转动轴、Y轴运动轴和垂直转动轴也在同时运动，所述多个维度的运动/转动轴带动载物平台203及于载物平台203上通过工装固定的被测光学元件6进行“S”型往返运动，高功率激光105在被测光学元件6的相对运动轨迹参见如图7，镜片往返运动直至覆盖整个测试区域。其扫描行间距601等于高功率激光105有效光斑半径ω _eff 。且扫描速度v为：

;

式中，v为扫描被测光学元件6的速度；ω _eff 为高功率激光105有效光斑半径，即为在被测光学元件6靶平面测试的高功率激光105功率密度超过实际负载激光峰值功率密度的最大光斑半径，其大小通过可见光显微相机401测得；t为单点辐照时间，即为被测光学元件某一点接受超过实际负载激光所停留的时间。

在对被测光学元件6进行激光负载能力筛选时，通过多维电动位移平台2带动被测光学元件6样品运动，其中，被测光学元件6通过载物平台203上设有的工装进行固定连接，保证了对被测光学元件6检测筛选时的稳定性；通过多个维度的运动/转动轴带动载物平台203和与载物平台203上工装相固定连接的被测光学元件6进行“S”型往返运动，实现了被测光学元件6工作范围的全面覆盖式检测，避免了对被测光学元件6的激光负载能力检测筛选时的漏检及错检，极大地提高了检测筛选的准确性，且从对被测光学元件6的检测筛选从点检测优化为面测试，提高了对被测光学元件6的激光负载能力的检测筛选的准确性，且多个维度的运动/转动轴可针对不同类型的被测光学元件6进行不同实验方案的检测筛选，提高了本发明装置检测筛选的准确性及适用性；通过控制箱体202设定多个维度的运动/转动轴的运动速度及运动轨迹，使在对被测光学元件6进行激光负载能力筛选时可以适配多种筛选检测试验方案，提高了本发明装置的适用性。

参见如图3，所述实时光束质量探测系统3包括高光束质量激光器301、聚焦透镜303和CCD304；其中，通过所述高光束质量激光器301产生高光束质量的激光辐射在被测光学元件6上，优选的，所述高光束质量激光器301为氦氖激光器或者光纤激光器，且其功率为毫瓦量级，所述高光束质量激光器301产生的高光束质量激光302发散角不大于1mrad，光斑直径为6mm；所述聚焦透镜303的位置设置于高光束质量激光器301产生的激光辐射到被测光学元件6从而被被测光学元件6反射的光束路径上，且所述聚焦透镜303的焦距为1m；所述CCD304的探测面位于聚焦透镜303的焦平面上，通过所述CCD304记录测量经被测光学元件6反射的高光束质量激光302于聚焦透镜303上的光斑位置及大小。

在对被测光学元件6进行检测时，通过万瓦级光纤激光器101产生激光辐照于被测光学元件6表面上，且通过高光束质量激光器301产生高光束质量激光302辐射于被测光学元件6上，同时，调整高光束质量激光器301，使高功率激光105和高光束质量激光302作用在被测光学元件6表面同一点，当被测光学元件6表面本身存在鼓包等缺陷瑕疵时或者因高功率激光105辐射吸收产生的被测光学元件6的表面热形变时，经被测光学元件6表面反射的高光束质量激光302于聚焦透镜303焦平面上光斑位置发生变化，并被CCD304测量记录，上述方式通过激光功率密度等效的方法，直接测量了高功率激光105辐照下被测光学元件6的表面变化，相较于热成像法、显微成像法和散射法等进行被测光学元件6的激光负载能力筛选检测其结果置信度更高，由此提高了本发明对被测光学元件6的激光负载能力筛选检测的准确率，且所述方法解决了显微成像法对于10nm级别或者更小级别的光学元件表面形变较难检测和对于不适用的表面形变较难检测的问题，由此提高了本发明装置检测筛选被测光学元件6的激光负载能力的灵敏度；且所述方法相较与热成像法能检测出被测光学元件6表面由于加工不均匀导致出现的瑕疵问题，相较于热成像法和显微成像法更具有全面性。

参见如图4，所述在线损伤探测系统4包括可见光显微相机401、红外相机402及配套计算机403；其中，通过所述可见光显微相机401测量获取被测光学元件6在高功率激光105辐照下其表面的形貌变化信息，所述可见光显微相机401上设有补光灯，且所述可见光显微相机401能够调节放大倍率、拍照、录像等功能；通过所述红外相机402测量获取被测光学元件6在高功率激光105辐照下其表面的温度变化信息，具体的，所述红外相机402对被测光学元件6表面进行测量温度变化时，温度精度≤0.1℃，时间精度≤0.1s；所述可见光显微相机401和红外相机402均与配套计算机403相连接，将所拍摄获取的被测光学元件6的表面相关信息传递到配套计算机403进行储存和分析，通过可见光显微相机401测量获取的被测光学元件6的表面形貌变化信息，所述配套计算机403进行测量缺陷以及记录损伤大小等工作，通过红外相机402测量获取的被测光学元件6的表面温度变化信息，所述配套计算机403进行记录并生成温度与时间曲线。

在对被测光学元件6进行激光负载能力检测筛选时，通过在线损伤探测系统4的高精度的红外相机402和可见光显微相机401实现精准的获取被测光学元件6表面的温度信息和形貌信息，且可见光显微相机401上设有补光灯，提高了在线损伤探测系统4获取被测光学元件6表面形貌信息的精确度；通过配套计算机403分析存储可见光显微相机401和红外相机402获取的形貌信息及温度信息，如温度高低信息、高温区域大小等信息，并配合实时光束质量探测系统3的CCD304检测记录的高光束质量激光302的光斑位置变化信息，如高光束质量激光302的光斑位置偏移大小、偏移速度等相关信息，实现了得出了由于10nm级别和类似微小级别热形变导致的被测光学元件6表面形貌微小变化与被测光学元件6表面温度的关系，由此可以得出被测光学元件6的激光负载能力，由此对于被测光学元件6的研究检测更具有全面性。

参见如图5所示，高功率激光截止系统5包括折转镜501、扩束镜502、筒状激光收集器503和配套激光水冷机504；其中，所述折转镜501设于经被测光学元件6反射或透射的高功率激光105通路上，通过所述折转镜501改变透过其表面的激光光束通路方向；所述扩束镜502设置于经折转镜501改变激光光束的通路方向上，通过扩束镜502扩大透过其的激光光束光斑且不改变激光光束的通路方向；所述筒状激光收集器503设于沿经折转镜501改变激光光束的通路方向上的扩束镜502后方，具体的，筒状激光收集器503为纯铜材料，其底部为表面抛光的反射锥体，筒侧壁发黑粗糙工艺处理，且内部挖有水道；所述配套激光水冷机504连接筒状激光收集器503，避免所述筒状激光收集器503温度过高。

在高功率激光截止系统5中，经被测光学元件6反射、衍射或透射的激光依次经过折转镜501、扩束镜502后进入激光收集器，其中，通过折转镜501改变了透过其表面的激光光束通路方向，由此整合了不同激光通路方向的衍射透射的高功率激光105，缩小了高功率激光截止系统5的需求体积，且根据需求调整折转镜501的位置调整透过其表面的激光光束通路方向,从而改变高功率激光截止系统5在本发明装置中的位置，使本发明装置结构更为巧妙紧凑，或更适应实验需求；通过扩束镜502扩大了透过其的激光光束光斑，由此增大了激光光束直径从而降低了激光的功率密度，降低了筒状激光收集器503的损坏风险，增加了本发明装置在使用过程中的安全性；配套激光水冷机504与筒状激光收集器503内部水道配合，防止了筒状激光收集器503由于激光吸收导致温度过高造成的损坏，提高了本发明装置使用过程中的安全性与稳定性。

如图6所示，本发明一个实施例提供一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置的激光传递方向，首先由万瓦级光纤激光器101开始工作，产生高功率激光105，同时高光束质量激光器301产生高光束质量激光302，所述高功率激光105经过激光光束调节装置102调节其光斑大小后同高光束质量激光302共同作用在被测光学元件6表面上；被测光学元件6由载物平台203带动呈“S”型轨迹往返运动，激光在其表面不间断扫描。在线损伤探测系统4用于测量镜片受激光辐照时的表面变化；进一步的，高光束质量激光302经被测光学元件6反射至聚焦透镜303上，通过高功率激光截止系统5截止经被测光学元件6反射或透射的高功率激光105。

本发明一个实施例提供一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选方法，应用所述高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置实现，具体步骤如下：

S1、将清洁后的被测光学元件6放置于载物平台203上，通过所述载物平台203上的工装固定所述被测光学元件6并令被测光学元件6表面与X轴运动轴和Z轴运动轴平面保持平行，开启万瓦级光纤激光器101产生高功率激光105，根据被测光学元件6的参数进行选择调整高功率激光105的峰值功率密度和输出波长等，并开启高光束质量激光器301产生高光束质量激光302，将所述高光束质量激光302和高功率激光105共同作用在被测光学元件6同一点上，通过激光光束调节装置103调节高功率激光105的光斑大小，要求其光斑直径比高光束质量激光302光斑直径小。

S2、将被测光学元件6固定在载物平台203后，确定其激光作用的中心坐标，激光导引光作用在被测光学元件6边缘容易观察到，边缘坐标减去被测光学元件6尺寸的一半即为镜片中心坐标；扫描范围根据实际工况确定，要求比实际负载区域大；扫描被测光学元件6的速度v公式如下：

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式中，v为扫描被测光学元件6的速度；ω _eff 为高功率激光105有效光斑半径，即为在被测光学元件6靶平面测试的高功率激光105功率密度超过实际负载激光峰值功率密度的最大光斑半径，其大小通过可见光显微相机401测得；t为单点辐照时间，即为被测光学元件某一点接受超过实际负载激光所停留的时间。

将激光作用的中心坐标、扫描范围和扫描被测光学元件6速度v这三个参数连同被测光学元件6曲率输入到控制箱体202配套的计算机运动控制程序中，控制程序将输出被测光学元件6共球心的运动扫描轨迹。

S3、检查高功率激光105是否反射至高功率激光截止系统5的折转镜501上和高光束质量激光302经聚焦透镜303聚焦后的焦点是否在CCD304检测面上；调整好红外相机402、可见光显微相机401的焦距及测量范围，测量范围选取激光所在的一小块区域；高功率激光105按照设定好的光斑大小及功率输出后，被测光学元件6按照已设好的程序呈“S”型轨迹扫描运动，在X轴方向平移扫描时，垂直转动轴、水平转动轴和Y轴运动轴同时运动保证被测光学元件6的每个测试点都移动到激光光束的同一位置，这样从被测光学元件6上两束激光始终同时作用，且反射出的光束始终固定不变。

S4、在扫描测试过程中通过配套计算机403实时保存并监测时间坐标关系、可见光显微相机401录像、红外相机402测量温度数据及CCD304测量记录的光斑大小及位置数据；通过配套计算机403记录异常被测光学元件6位置坐标、温升数据、高光束质量激光302指向偏移和大小变化数据以及被测光学元件6表面形貌变化；通过上述数据综合给出所筛选镜片高功率负载能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，包括高功率激光发射系统（1）、多维电动位移平台（2）、实时光束质量探测系统（3）、在线损伤探测系统（4）和高功率激光截止系统（5），其中；

所述实时光束质量探测系统（3）包括高光束质量激光器（301）、聚焦透镜（303）和CCD（304）；所述高光束质量激光器（301）发射高光束质量激光（302）辐射于被测光学元件上，且经被测光学元件反射至所述聚焦透镜（303）上，所述CCD（304）探测面位于所述聚焦透镜（303）的焦平面上，通过所述CCD（304）记录测量经被测光学元件反射的高光束质量激光（302）于聚焦透镜（303）上的光斑位置及大小，实现了表征被测光学元件的表面形貌变化；

所述在线损伤探测系统（4）包括红外相机（402）及配套计算机（403）；通过所述红外相机（402）测量获取被测光学元件在激光辐照下其表面的温度变化信息，通过所述配套计算机（403）对所述温度变化信息储存分析并生成温度与时间曲线；

通过所述CCD（304）记录的高光束质量激光（302）的光斑位置变化信息表征被测光学元件的表面形貌变化，且通过所述CCD（304）记录的高光束质量激光（302）的光斑位置变化信息结合所述红外相机（402）测量获取的温度变化信息，由此实现了所述配套计算机（403）得出被测光学元件的激光负载能力。

2.根据权利要求1所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述在线损伤探测系统（4）还包括可见光显微相机（401），

所述可见光显微相机（401）与配套计算机（403）连接，且所述可见光显微相机（401）上设有用于提高拍照和录像成像质量的补光灯，通过所述可见光显微相机（401）记录被测光学元件表面的形貌变化信息。

3.根据权利要求1所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述多维电动位移平台（2）包括用于承载被测光学元件的载物平台（203），所述载物平台（203）上设有用于固定连接被测光学元件的工装。

4.根据权利要求3所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述多维电动位移平台（2）还包括多维度运动单元（201），所述多维度运动单元（201）与所述载物平台（203）连接，且包括多个维度的运动/转动轴，通过所述运动/转动轴带动所述载物平台（203）运动。

5.根据权利要求4所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述多维电动位移平台（2）还包括控制箱体（202），所述控制箱体（202）带有配套的计算机，通过其控制多维度运动单元（201）的多个维度的运动/转动轴以配套的计算机上设定的速度及运动轨迹进行运动。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述高功率激光发射系统（1）包括万瓦级光纤激光器（101），通过所述万瓦级光纤激光器（101）产生高功率激光（105）。

7.根据权利要求6所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述万瓦级光纤激光器（101）设有用于保持万瓦级光纤激光器（101）产生的高功率激光（105）在调整光斑大小时保持方向的激光准直头（104）。

8.根据权利要求7所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述高功率激光发射系统（1）还包括激光光束调节装置（103），所述激光光束调节装置（103）包括多块可调透镜组，通过所述多块可调透镜组对万瓦级光纤激光器（101）产生的高功率激光（105）进行激光光斑大小调整。

9.根据权利要求8所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述高功率激光发射系统（1）还包括光纤激光器配套水冷机（102），所述光纤激光器配套水冷机（102）与万瓦级光纤激光器（101）以及激光光束调节装置（103）连接。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述高功率激光截止系统（5）包括折转镜（501），所述折转镜（501）设于经被测光学元件反射或透射的高功率激光（105）通路上。

11.根据权利要求10所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述高功率激光截止系统（5）还包括筒状激光收集器（503），所述筒状激光收集器（503）设于经折转镜（501）改变高功率激光（105）光束的通路方向上，所述筒状激光收集器（503）底部为表面抛光的反射锥体，筒侧壁发黑粗糙工艺处理，且内部挖有水道，通过所述筒状激光收集器（503）截止高功率激光（105）。

12.根据权利要求11所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述高功率激光截止系统（5）还包括扩束镜（502），所述扩束镜（502）设于经折转镜（501）改变高功率激光（105）光束的通路方向上且于筒状激光收集器（503）前端。

13.根据权利要求11所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置，其特征在于，所述高功率激光截止系统（5）还包括配套激光水冷机（504），所述配套激光水冷机（504）与筒状激光收集器（503）连接，通过所述配套激光水冷机（504）降低筒状激光收集器（503）由于吸收高功率激光（105）所升高的温度。

14.一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选方法，应用如权利要求1-13中任一项所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将清洁后的被测光学元件放置于载物平台（203）上并与工装固定连接，开启万瓦级光纤激光器（101）产生高功率激光（105）并调整其峰值功率密度等，并开启高光束质量激光器（301）产生高光束质量激光（302），将所述高光束质量激光（302）和高功率激光（105）共同作用在被测光学元件同一点上，进一步的，通过激光光束调节装置（103）调节高功率激光（105）的光斑大小；

S2、根据被测光学元件实际工作范围和功率负载确定其扫描范围、激光作用的中心坐标以及扫描被测光学元件的速度，将上述参数连同被测光学元件曲率输入到控制箱体（202）配套的计算机运动控制程序中获得被测光学元件共球心的运动扫描轨迹；

S3、检查高功率激光（105）和高光束质量激光（302）反射位置是否符合要求，且调整红外相机（402）和可见光显微相机（401），多维电动位移平台（2）带动被测光学元件呈“S”往返运动，完成测试区域内的扫描；

S4、在扫描测试过程中通过配套计算机（403）实时保存并监测时间坐标关系、可见光显微相机（401）录像、红外相机（402）测量温度数据及CCD（304）测量记录的高光束质量激光（302）光斑大小及位置数据，并通过上述数据综合给出所筛选镜片高功率负载能力。

15.根据权利要求14所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选方法，其特征在于，步骤S2，所述的扫描被测光学元件的速度为：

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式中，v为扫描被测光学元件的速度；ω _eff 为高功率激光（105）有效光斑半径，即为在被测光学元件靶平面测试的高功率激光（105）功率密度超过实际负载激光峰值功率密度的最大光斑半径，其大小通过可见光显微相机（401）测得；t为单点辐照时间，即为被测光学元件某一点接受超过实际负载激光所停留的时间。

16.根据权利要求14所述的一种高功率光学元件激光负载能力自动筛选方法，其特征在于，步骤S2，所述的激光作用的中心坐标获得方法包括：将被测光学元件固定在载物平台（203）后，激光导引光作用在被测光学元件边缘，记录此时的边缘坐标，边缘坐标减去被测光学元件尺寸的一半即为镜片中心坐标。