[发明专利]一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法

说明书

本发明涉及一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，该方法包括以下步骤：①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、精确度高等优点。

技术领域

本发明涉及透射型光学元件领域，尤其是涉及一种对透射型光学元件表面初始损伤特征的诊断和检测技术。

背景技术

透射元件在激光加工、激光武器以及高功率激光系统等领域有着广泛的应用，是光学系统中必不可少的基本元件。由脆性材料熔石英研磨、抛光而成的透射元件，在其制备过程中不可避免地会引入表面和亚表面缺陷，成为激光破坏的主要诱因和元件使用寿命的短板，其损伤阈值大大低于本体材料。特别是当透射元件在强激光辐照下发生激光损伤时，透射元件表面受强烈的热力作用，将会形成材料蒸发、断裂和粒子喷射等行为。研究粒子的尺寸、喷射方向、喷射速度等信息，是损伤动力学研究的重要范畴之一，将会有助于理解激光损伤的发生过程、阐明纳秒脉冲激光的损伤机理。

材料在损伤后发生粒子喷射的现象，一般出现在激光辐照后的几十纳秒，并将持续至微秒或更长的时间尺度。然而，初始的几十至几百纳秒阶段，伴随等离子体闪光和大块材料剥落等现象，粒子的喷射行为不容易捕获。此外，由于粒子的飞行速度在0.1-10微米/纳秒范围左右，需要采用快速成像的方式获得近似瞬态的粒子图像，否则粒子的飞行轨迹将形成严重的拖影甚至无法获得。

基于泵浦探测成像技术能够研究激光损伤初期材料的喷射行为，为获得粒子的瞬态特征，许多研究选用泵浦光为纳秒脉冲激光，探测光为飞秒脉冲激光，但飞秒激光器造价昂贵，且该方法需要两台激光器和同步触发装置，成本高且对硬件要求苛刻。若采用纳秒脉冲激光作为探测光，高速运动的粒子在曝光时间内将飞行一段距离而形成拖影，就会影响测量精度。此外，在粒子速度的计算中，通常获取两幅存在时间延迟的图像，比较粒子在不同图像中位置的差异从而计算出飞行速度，然而，不同曝光条件的差异(P偏振态光和S偏振态光)、粒子飞行中在不同空间位置的变化都会降低最终的成像质量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精确度高的激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种激光损伤初期材料喷射行为的诊断方法，该方法用于透射型光学基板在发生激光损伤后粒子喷射行为的诊断和捕获，该方法包括以下步骤：

①基于泵浦探测技术，建立包含一台纳秒脉冲激光器的微米空间分辨和纳秒时间分辨的双探测光单相机成像系统；

②根据所述双探测光单相机成像系统获取喷射粒子在同一位置、设定时间间隔的图像；

③比较图像上喷射粒子的差异，根据图像处理技术获得粒子的长度和位置信息，获取喷射粒子行为，包括喷射粒子的喷射方向、喷射速度和等效尺寸。

所述双探测光单相机成像系统包括一纳秒脉冲激光器、一1064nm波长透射、532nm波长反射的反射镜、一半透半反镜、三宽角度反射镜和一长工作距离显微镜，该双探测光单相机成像系统工作时，纳秒脉冲激光器同时输出泵浦光、第一束探测光和第二束探测光，所述泵浦光经反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第一束探测光依次经反射镜、半透半反镜、一宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，所述第二束探测光依次经反射镜、半透半反镜、另两宽角度反射镜后照射在透射型光学基板上，长工作距离显微镜采用暗场照明方式获取经照射后的透射型光学基板的图像。

所述步骤②具体为：