基于光热偏转法的激光薄膜损伤识别研究

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光学薄膜是组成激光系统的重要元件之一,其抗激光损伤能力不仅是评价激光系统的主要指标,更是一个十分重要的研究领域。它在激光武器等强激光的应用中,都有着十分重要的作用。本文对国内几种主要的激光薄膜损伤阈值测试方法进行了研究和总结,包括相衬显微镜法、散射光检测法、图像法等。其中,相衬显微镜法是国标中规定的测试方法。由于测试方法不同,测试结果也会有所不同。为了与其他方法的检测结果相互印证,本文提出了基于光热偏转法的激光薄膜损伤识别研究。本文通过对光热偏转法的理论研究,进行反射式脉冲光热偏转偏移量进行理论公式推导和理论计算,同时建立基于反射式光热偏转法的薄膜损伤识别模型。在此模型基础之上建立了两种光热偏转损伤偏移量识别系统。其一是基于象限探测器的光热偏转损伤偏移量识别系统。其二是基于CCD的光热偏转损伤偏移量识别系统。两个损伤识别系统都是由激光薄膜损伤系统和损伤信号识别系统组成,其中激光薄膜损伤系统是相同的。基于象限探测器的损伤识别系统主要包括损伤光信号转换模块、信号运算模块。基于象限探测器的损伤识别系统主要包括损伤光信号接收模块和检测光斑光强极值点定位程序。使用这两个系统进行SiO2薄膜的光热偏转损伤识别实验。分别得到偏移量与泵浦光束能量关系曲线。实验发现:当泵浦光束能量分别为85mJ和75mJ时,使用基于四象限探测器和CCD的光热偏转偏移量识别系统得到的曲线出现偏移量突然增大的拐点。为了进一步研究,对SiO2薄膜的损伤形貌和光学特性进行研究。最终得到SiO2薄膜的损伤判据:在使用基于象限探测器的光热偏转损伤偏移量识别系统对SiO2薄膜进行损伤识别时,当偏移量大于0.1mm时,认为SiO2薄膜发生了损伤;在使用基于CCD的光热偏转损伤偏移量识别系统对SiO2薄膜进行损伤识别时,当偏移量大于1.4 Pixel时,认为SiO2薄膜发生了损伤。结合损伤判据,利用零概率损伤阈阂值确定法计算Si02薄膜的损伤阈值:在基于象限探测器的光热偏转偏移量识别系统下,SiO2薄膜损伤阈值为12.7 J/cm2。基于CCD的光热偏转偏移量识别系统下,SiO2薄膜损伤阈值为9.3 J/cm2。为了进行对比分析,分别使用国际标准IS011254中的相衬显微镜法和实验室自己的图像法对Si02薄膜的激光损伤阈值进行测试。国标测试结果为11.9 J/cm2,图像法测试结果为12.5 J/cm2。测试结果表明:基于象限探测器偏移量识别系统的测试结果比国标测试结果相差0.8 J/cm2,相比图像法测试结果相差0.2 J/cm2。基于CCD的偏移量识别系统的测试结果比国标测试结果相差2.6 J/cm2,相比图像法测试结果相差3.2 J/cm2。得到结论:反射式光热偏转法能够对Si02薄膜损伤进行识别。与基于CCD的光热偏转法的测试结果相比,基于象限探测器的光热偏转损伤偏移量测试结果更接近图像法和国际标准IS011254中的相衬显微镜法的测试结果。除了Si02薄膜,反射式光热偏转法还适用于其他可反光薄膜的损伤识别。本文得到的损伤判据只是针对Si02薄膜而言,对于其他薄膜材料,还需要进行损伤识别实验来确定。
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