基于全反射原理的光学元件激光预处理方法及装置.pdf

本发明公开了一种基于全反射原理的光学元件激光预处理方法及装置，具体是将激光光束从透明光学元件的一侧面入射到透明光学元件内部并照射到透明光学元件前表面的处理点1，在处理点1处,激光光束的入射角度满足光学全反射条件，经由全反射反射至元件后表面的处理点2处,依此类推,激光光束在元件内部前后表面之间进行多次全反射,直至最后从透明光学元件另一侧面出射。本发明利用激光光束在透明光学元件样品内部进行多次全反射来回收激光能量并重复利用，并且同时对光学元件前亚表面、后亚表面、前后表面以及体内特性进行并行处理，从而大幅提高激光预处理的速度。

权利要求书基于全反射原理的光学元件激光预处理方法，其特征在于：将激光光束从透明光学元件的一侧面入射到透明光学元件内部并照射到透明光学元件前表面的处理点1，在处理点1处, 激光光束的入射角度满足光学全反射条件，经由全反射反射至透明光学元件后表面的处理点2处,依此类推,激光光束在透明光学元件内部前后表面之间进行多次全反射,直至经过处理点N之后从透明光学元件另一侧面出射；即激光光束对样品前后表面的处理点1至N以及样品内部光束经过的区域都进行了辐照处理。
根据权利要求1所述的基于全反射原理的光学元件激光预处理方法，其特征在于：所述的激光光束在一个透明光学元件内部经过多次全反射对透明光学元件进行辐照处理之后,出射的激光光束经光路调整后依次进入另外一个或多个透明光学元件内部进行同样的全反射辐照处理。
基于全反射原理的光学元件激光预处理装置，包括有激光光源，其特征在于：还包括有依次设置于激光光源的后端和透明光学元件一侧面之间的激光能量调整控制装置、激光光束整形处理装置、激光光束分光楔板光束角度调整装置，激光光束分光楔板的第一反射输出端后设置有CCD成像装置，其第二反射输出端后设置有分光装置，分光装置的两分光输出端后分别设置有光电探测器和激光能量测量装置。
根据权利要求3所述的基于全反射原理的光学元件激光预处理装置，其特征在于：所述的基于全反射原理的光学元件激光预处理装置还包括有相对透明光学元件另一侧面设置的激光光束吸收装置。
根据权利要求3所述的基于全反射原理的光学元件激光预处理装置，其特征在于：所述的光束角度调整装置选用激光高反镜，所述的激光高反镜固定于激光高反镜装夹调整装置上。

说明书基于全反射原理的光学元件激光预处理方法及装置
 
技术领域
本发明涉及光学材料激光预处理领域，具体是一种基于全反射原理的光学元件激光预处理方法及装置。
背景技术
近年来，随着激光技术及其应用的快速发展，特别是激光输出能量和功率水平的大幅提高，对各类光学元件的光学性能，如吸收特性、缺陷分布及抗激光破坏能力等的要求也越来越高。一些大型激光系统对其光学元件的要求越来越接近现有加工技术的极限，因此仅仅从传统的元件加工方法和加工工艺上来进行改进以提高光学元件的光学性能不仅在技术上变得越来越困难，而且成本也变得非常昂贵，难以满足科学研究及大规模应用的要求。
通过激光预处理来提高光学元件的光学性能，特别是其抗激光损伤能力，是一种行之有效的方法。激光预处理技术通常是采用功率密度或能量密度低于光学元件损伤阈值的激光束（亚阈值激光束）对光学元件进行100%覆盖的辐照处理。 激光预处理能够有效清除光学元件表面和亚表面缺陷以及元件表面的污染，从而加大幅度提高元件的激光损伤阈值。
在一些大型及超大型激光系统中常用的透明光学材料主要有熔融石英（Fused Silica）、KDP晶体等。这些材料在实际应用中，其元件表面污染、表面和亚表面缺陷、以及材料体内缺陷等，都是潜在的降低元件抗激光能力的因素。因此根据具体的情况，对表面、亚表面、以及整个元件的通光体积都进行激光预处理能够较大幅度提高相关原件的激光损伤阈值。
在激光预处理过程中，为了达到更好的处理效果，一般需要采用强度依次增加的激光束对样品进行多次辐照处理，并且根据具体元件特点要对初始处理的激光强度以及所有后续处理的激光强度等进行合理的控制。此外，由于在超大型强激光系统中的光学元件的损伤阈值要求较高，因此对其进行亚阈值激光预处理需要使用较高的功率或能量密度。这样一来，利用普通工业商用激光器进行激光预处理，通常需要将光束聚焦成比较小的光斑尺寸才能满足激光亚阈值预处理所需要的激光功率或能量密度水平。而对样品100%覆盖的辐照是通过对样品进行逐点扫描来实现的。
由于以上原因，激光预处理工艺通常既费时又昂贵，特别是对超大型强激光系统中所需要的光学元件，由于其光学口径相对很大，激光预处理技术相对更为缓慢和昂贵。以一个口径0.5米X 0.5米的光学元件为例，如果预处理光斑面积为是1毫米X 1毫米，激光器的重复频率为10 Hz, 则对其单表面全覆盖辐照一次就需费时约7个小时。如果工艺要求在5个不同能量水平进行处理，则对其单表面处理完毕将费时35个小时。如果把元件两个表面都处理完毕，直接扫描时间将费时70小时，如果要进行材料体内处理，耗时将会更长。
发明内容
    本发明要解决的技术问题是提供一种基于全反射原理的光学元件激光预处理方法及装置，解决现有的激光预处理技术对于提高大口径光学元件激光损伤阈值过程中因为耗时过长而不能满足实际使用要求的问题，本发明利用激光束在透明光学元件样品内部进行多次全反射来回收激光能量并重复利用，并且同时对透明光学元件前亚表面、后亚表面、前后表面以及体内特性进行并行处理，从而能够大幅提高激光预处理的速度。
本发明的技术方案为：
如图1所示,将激光光束从透明光学元件的一侧面入射到透明光学元件内部并照射到透明光学元件前表面的处理点1，在处理点1处, 激光光束的入射角度满足光学全反射条件，经由全反射反射至透明光学元件后表面的处理点2处,依此类推,激光光束在透明光学元件内部前后表面之间进行多次全反射,直至最后从透明光学元件另一侧面出射。这样,利用一束激光,经过多次全反射,对透明光学元件前后表面上的处理点1到N以及元件内部各个处理点之间激光光束经过的区域都进行了辐照处理.基于全反射原理的光学元件激光预处理装置，包括有激光光源、设置于激光光源的后端和透明光学元件一侧面之间的激光能量调整控制装置、激光光束整形处理装置、激光光束分光楔板光束角度调整装置，激光光束分光楔板的第一反射输出端后设置有CCD成像装置，其第二反射输出端后设置有分光装置，分光装置的两分光输出端后分别设置有光电探测器和激光能量测量装置。
所述的基于全反射原理的光学元件激光预处理装置还包括有相对透明光学元件另一侧面设置的激光光束吸收装置。
所述的光学角度调整装置选用激光高反镜，所述的激光高反镜固定于激光高反镜装夹调整装置上。
在实际应用中样品材料的微弱吸收以及在全反射界面的能量损失会使处理激光束能量随着重复利用次数的增加而逐渐减少，但是这种减少是缓慢的，在一定程度上不会对处理结果造成显著影响。例如，假设样品在界面每反射一次其能量损失率为0.2%，则经过N次反射后，其能量与初始激光束能量的比值为(1‑0.1%)^N （当N=10时，该值为98%）。
本发明的优点：
（1）、本发明的激光光束在样品内部多次全反射后能量或功率水平基本保持不变，这样就相当于对元件样品表面的多个处理点以及内部激光光束经过的区域进行了同一激光能量下的并行处理，大大提高了激光预处理的速度；
（2）、在全反射条件下，在透明光学元件内部对材料进行激光预处理，除了同时处理了前亚表面、后亚表面以及体内特性外，还通过在全内反射条件下越过界面的倏逝波对内表面另一侧的外表面污染及缺陷进行了预处理；
（3）、本发明采用如图2和图4所示的扫描方式对整个样品进行扫描处理。如图2所示，激光束从样品侧面最上端入射进入到样品内部，并通过全反射依次经过样品两个表面的处理点1至处理点N。首先样品相对激光进行横向扫描，一次扫描完成后，样品前表面和后表面上将同时形成N条已经处理的光斑覆盖区域，并且样品内部激光束经过的区域也同时得到了处理。将样品相对激光束的横向扫描与入射激光束在保持入射角度不变的情况下沿样品侧面的扫描（从样品侧面最上端至最下端）结合，完成这样一次二维扫描后，将对样品表面和内部的如图2中所显示的阴影区域都进行了处理。再改变激光束的入射方向，如图4所示，激光束从如图2中所示激光束入射方向相对侧面法线对称的方向入射，再重复如图2中的二维扫描，就可以完成对样品表面和内部100%覆盖的辐照处理。而普通的激光预处理装置通常是让激光束汇聚到样品前表面上，样品相对激光横向扫描一次完成后，激光只在该表面上形成一条已经处理的光斑覆盖区域。处理完一个表面后，还需要重复对另一个表面进行扫描处理。经过比较，可以看出，采用本发明的方法，可以将样品表面的预处理速度提高N倍；以KDP晶体为例，它的全反射临界角大约为42度，假设入射到样品表面的激光束的入射角为50度，对一个幅面为0.5米X0.5米、厚度为5厘米的元件，计算表明，激光束可以在样品内部反射8次，意味着单件元件的处理速度可以提高8倍；
（4）、由样品另一侧面出射的激光束虽然经过多次全反射，其总能量损耗还是可以比较小的，可以重复回收利用，经过适当的光路调整将出射后的激光光束再次射到另一元件上（见图5），利用同样的全反射原理对另一元件进行能量或功率密度相对较低的辐照处理；激光在经过一个元件后能量损耗很低，因此可以重复利用多次，如果重复利用5次，相当于把预处理速度提高5N倍。
本发明利用激光光束在透明光学元件样品内部进行多次全反射来回收激光能量并重复利用，并且同时对光学元件前亚表面、后亚表面、前后表面以及体内特性进行并行处理，从而能够大幅提高激光预处理的速度，且同时可以大幅提高对普通中小口径光学元件预处理速度和效率，从而大幅降低激光预处理的成本，有利于相关技术的进一步推广和应用。本发明特别适用于超大型激光系统中熔融石英和KDP晶体的激光预处理。
附图说明
图1是本发明的的原理示意图。
图2是采用本发明进行全反射激光预处理的扫描示意图一。
图3是透明光学元件采用图2进行全反射激光预处理后其前表面的扫描示意图。
图4是采用本发明进行全反射激光预处理的扫描示意图二。
图5是本发明激光光束处理多个光学元件的原理示意图。
图6是本发明具体实施方式中基于全反射原理的光学元件激光预处理装置的结构示意图。
具体实施方式
见图6，基于全反射原理的光学元件激光预处理装置，包括有相对透明光学元件11的一侧面设置的激光光源1，依次设置于激光光源1的后端和透明光学元件11一侧面之间的激光能量调整控制装置2、激光光束整形处理装置3和激光光束分光楔板4，设置于激光光束分光楔板4的第一反射输出端后的CCD成像装置5，设置于激光光束分光楔板4的第二反射输出端后的分光装置6，设置于激光光束分光楔板4的透射输出端后的激光高反镜9，用于固定激光高反镜9的激光高反镜装夹调整装置10，分别设置于分光装置6两分光输出端后的光电探测器8和激光能量测量装置7，相对透明光学元件另一侧面设置的激光光束吸收装置12。
由激光光源1发出的激光光束依次经过激光能量调整控制装置2和激光光束整形处理装置3，这两个装置的作用是对施加在元件上的激光强度和光束形态进行精确控制；由激光光束整形处理装置3出射的光束经由激光光束分光楔板4分成能量较小的两束反射光束和一束能量较大的透射光束，其中第一束反射光束进入CCD成像装置5，用来对激光光束进行光束质量监测，第二束反射光束由分光装置6分成两束光，其中一束进入激光能量测量装置7，用来对激光光束的能量进行监测，另一束则进入光电探测器8，用以对激光脉冲进行脉冲性状的监测，同时也对脉冲数量进行计数和对激光预处理系统进行其他控制；透过激光光束分光楔板4的透射激光光束经由激光高反镜9反射后入射到待处理透明光学元件11的一侧面，激光高反镜9装夹在激光高反镜装夹调整装置10上，可以调整入射到透明光学元件11的入射角度；进入透明光学元件11内部的激光光束照射到透明光学元件11前亚表面的处理点1，通过适当选择激光束初始入射的角度，使得在处理点1处的激光光束相对透明光学元件11正面的入射角大于透明光学元件11的光学全反射临界角，这样，激光能量将被样品表面全部反射，并照射到样品背面的处理点2处；由于透明光学元件11的两个表面是平行的，在处理点2处的激光束相对样品后亚表面的入射角与处理点1出的入射角相同，都满足全反射条件，激光能量将再次被样品表面全部反射；以此类推，激光束在样品两个表面之间多次全反射，每次反射点即为一个处理点，直至经由样品表面的处理点N反射后由样品另一端侧面透射出来，被激光光束吸收装置吸收。
实际应用中可以对激光预处理过程进行实时监控、对每一个预处理点进行实时检测。
采用如图2和图4结合的扫描方法，就可以实现对整个元件的两个表面及内部100%覆盖的辐照处理，大大提高了预处理的速度。另外，如果在此基础上采用如图5所述的结构，可以进一步的提高多个透明光学元件的预处理速度，从而大大减少整个预处理过程所需的时间。