脉冲激光检测光学元件吸收型缺陷的理论研究
发布时间：2021-02-22 10:13
现代激光技术的快速发展,对光学元件的性能提出了越来越高的要求。尤其是在高功率、高能激光系统中,直径大于100毫米的大尺寸光学元件被广泛应用,对光学元件质量要求更是苛刻。但光学元件的激光破坏阈值往往成为制约系统运行的不可忽视的重要因素。其中导致激光损伤的一个关键因素就是激光元件表面/亚表面的强吸收缺陷,这些缺陷通常具有微米尺寸。因此如何准确地对大口径光学元件中的这些缺陷进行检测,成为了研究光学元件本身以及整个光学系统性能的重要内容。光热技术作为一种无接触、测量灵敏度高的检测吸收方法,为吸收型缺陷的检测提供了新的思路,热透镜技术的提出更是推动了吸收型缺陷检测工作的发展。但是以往对激光光学元件吸收缺陷的检测大多是基于热透镜理论,再结合单点扫描的方法。这种单点扫描方法对于小尺寸激光元件适用,但对于大口径激光元件而言费时且不省力,所以不适用大口径光学元件缺陷的检测。因此本文针对高能系统中的大口径光学元件的吸收型缺陷,结合热透镜检测理论和CCD成像技术,最终提出了一种基于面阵CCD的脉冲泵浦光与探测光结合的热透镜检测吸收型缺陷的方法。文章主要从理论的角度出发对吸收型缺陷进行了研究,具体的研究内容如...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
物质的光热效应结构示意图
第一章绪论3对样品的尺寸无限制，在实际检测的过程中实验装置也很简单。只需要照射光，省去检测光，使用调节都比较方便，具有信号振幅和信号相位两个可测的因子，利用快速响应的红外探测器，就可以对信号进行检测。适合于真空、高温高压等特殊环境，在表面科学[21]、光热光谱分析[22]、缺陷检测[23]等方面也有很大的应用。该方法的基本原理是：采用一束经调制之后的光照射被测的样品，当样品表面或者亚表面中含有强吸收的缺陷时，缺陷会吸收大量的光能量，引起局部性和周期性的温度涨落和红外辐射变化。在热传递的过程中正是由于缺陷的存在，PTR信号的振幅或者相位会出现明显的改变，在实际应用中根据不同的被测对象选择PTR信号的振幅或相位其中一个作为主要的参量，另外一个作为辅助参量进行分析，对比分析得到缺陷的信息[24]。李佩赞等人于1995年利用该技术成功地对材料内部的缺陷进行了无损检测[25]。严来军等人成功利用透射式的PTR测量技术对薄层材料的缺陷进行了检测[26]。王心觉、刘恒标、胡文祥等人利用光热辐射技术检测了材料的亚表面缺陷[27]，检测装置如图1-2所示。理论计算了含缺陷的双层材料在强度调制激光束激励下产生的表面温度的幅值和相位，并进行了相应的实验。最后成功检测了深度小于或者等于面层材料热扩散长度，截面积约等于或者大于光斑面积的样品缺陷。图1-2光热辐射检测装置原理图1.2.2激光量热技术激光量热法[28]是根据国标标准ISO11551的要求提出的一种测量光学元件的微弱吸收的方法。基本原理就是测量光学元件的吸收损耗。让一束激光照射到含缺陷样品上，样品因缺陷吸收热量而温度升高，光学元件内的温升大小直接反映着缺陷对辐照
Bernal和Rosenstock对光学元件在激光辐照下的温度模型进行了改进[31]。Willamowski等人提出一种比较完善的激光量热法测量光学元件吸收损耗的理论[32]，讨论了温漂、杂散光对测量结果的影响，并给出了消除这些因素的方法。王艳茹等人基于激光量热法，建立了一种光学元件吸收的精确温度模型。分析了样品的热导率、几何尺寸等因素对结果的影响，并给出了确定最佳温度探测距离的方法[33]。李斌成等人使用按照国标标准ISO1155设计了一种激光量热计[34]，结构示意图如1-3所示，测得了厚度为1mm石英样品的吸收为3.4ppm。图1-3根据国标标准ISO1155设计的激光量热计结构图张晓荣等人利用激光量热法提出了一种测量大口径光学元件吸收损耗的方法，分别利用理论与有限元仿真分析了温度分布模型的正确性，讨论了吸收损耗的测量灵敏度和探测位置对测量结果的影响[35]。但该方法只适用于热导率较小的大口径（石英、K9玻璃等）元件，温度传感器间距对检测结果的影响也较大。张兴鑫采用了激光量热法对光学元件表面缺陷吸收进行了检测[36]。分别测量了缺陷处和缺陷周围一点（可能存在小缺陷）的吸收，测量吸收值分别是
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料亚表面的光热辐射检测[J]. 王心觉,刘恒彪,胡文祥. 激光与光电子学进展. 2017(10)
[2]KDP晶体中杂质缺陷吸收引起的温度场模型[J]. 张英聪,沈华,朱日宏. 激光与光电子学进展. 2014(02)
[3]中国光声和光热技术研究进展回顾[J]. 张淑仪. 应用声学. 2013(03)
[4]基于图像锁相的薄膜吸收多通道检测技术[J]. 陶春先,赵元安,贺洪波,邵建达. 光学学报. 2009(08)
[5]355nm激光作用下熔石英损伤增长[J]. 尹伟,徐世珍,祖小涛,蒋晓东,袁晓东,吕海兵,王成程,郑万国. 强激光与粒子束. 2008(12)
[6]熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究[J]. 田东斌,祖小涛,袁晓东,徐世珍,郭袁俊,蒋晓东,李绪平,吕海兵,郑万国. 强激光与粒子束. 2007(09)
[7]光学薄膜测量时平顶光束激励的表面热透镜理论模型[J]. 陈潇潇,李斌成,杨亚培. 物理学报. 2006(09)
[8]激光量热法测量光学薄膜微弱吸收[J]. 李斌成,熊胜明,Holger Blaschke,Detlev Ristau. 中国激光. 2006(06)
[9]表面热透镜薄膜吸收测量灵敏度提高方法[J]. 范树海,贺洪波,邵建达,范正修,赵元安. 物理学报. 2006(02)
[10]原子力显微镜的基本原理及其方法学研究[J]. 朱杰,孙润广. 生命科学仪器. 2005(01)
博士论文
[1]光学元件吸收损耗的高灵敏度检测技术研究[D]. 张晓荣.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[2]薄层材料热性能和缺陷的激光诱导红外辐射检测技术研究[D]. 严来军.电子科技大学 2015
硕士论文
[1]基于损耗特性的光学元件表面质量表征研究[D]. 张兴鑫.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
本文编号：3045835
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
物质的光热效应结构示意图
第一章绪论3对样品的尺寸无限制，在实际检测的过程中实验装置也很简单。只需要照射光，省去检测光，使用调节都比较方便，具有信号振幅和信号相位两个可测的因子，利用快速响应的红外探测器，就可以对信号进行检测。适合于真空、高温高压等特殊环境，在表面科学[21]、光热光谱分析[22]、缺陷检测[23]等方面也有很大的应用。该方法的基本原理是：采用一束经调制之后的光照射被测的样品，当样品表面或者亚表面中含有强吸收的缺陷时，缺陷会吸收大量的光能量，引起局部性和周期性的温度涨落和红外辐射变化。在热传递的过程中正是由于缺陷的存在，PTR信号的振幅或者相位会出现明显的改变，在实际应用中根据不同的被测对象选择PTR信号的振幅或相位其中一个作为主要的参量，另外一个作为辅助参量进行分析，对比分析得到缺陷的信息[24]。李佩赞等人于1995年利用该技术成功地对材料内部的缺陷进行了无损检测[25]。严来军等人成功利用透射式的PTR测量技术对薄层材料的缺陷进行了检测[26]。王心觉、刘恒标、胡文祥等人利用光热辐射技术检测了材料的亚表面缺陷[27]，检测装置如图1-2所示。理论计算了含缺陷的双层材料在强度调制激光束激励下产生的表面温度的幅值和相位，并进行了相应的实验。最后成功检测了深度小于或者等于面层材料热扩散长度，截面积约等于或者大于光斑面积的样品缺陷。图1-2光热辐射检测装置原理图1.2.2激光量热技术激光量热法[28]是根据国标标准ISO11551的要求提出的一种测量光学元件的微弱吸收的方法。基本原理就是测量光学元件的吸收损耗。让一束激光照射到含缺陷样品上，样品因缺陷吸收热量而温度升高，光学元件内的温升大小直接反映着缺陷对辐照
Bernal和Rosenstock对光学元件在激光辐照下的温度模型进行了改进[31]。Willamowski等人提出一种比较完善的激光量热法测量光学元件吸收损耗的理论[32]，讨论了温漂、杂散光对测量结果的影响，并给出了消除这些因素的方法。王艳茹等人基于激光量热法，建立了一种光学元件吸收的精确温度模型。分析了样品的热导率、几何尺寸等因素对结果的影响，并给出了确定最佳温度探测距离的方法[33]。李斌成等人使用按照国标标准ISO1155设计了一种激光量热计[34]，结构示意图如1-3所示，测得了厚度为1mm石英样品的吸收为3.4ppm。图1-3根据国标标准ISO1155设计的激光量热计结构图张晓荣等人利用激光量热法提出了一种测量大口径光学元件吸收损耗的方法，分别利用理论与有限元仿真分析了温度分布模型的正确性，讨论了吸收损耗的测量灵敏度和探测位置对测量结果的影响[35]。但该方法只适用于热导率较小的大口径（石英、K9玻璃等）元件，温度传感器间距对检测结果的影响也较大。张兴鑫采用了激光量热法对光学元件表面缺陷吸收进行了检测[36]。分别测量了缺陷处和缺陷周围一点（可能存在小缺陷）的吸收，测量吸收值分别是
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料亚表面的光热辐射检测[J]. 王心觉,刘恒彪,胡文祥. 激光与光电子学进展. 2017(10)
[2]KDP晶体中杂质缺陷吸收引起的温度场模型[J]. 张英聪,沈华,朱日宏. 激光与光电子学进展. 2014(02)
[3]中国光声和光热技术研究进展回顾[J]. 张淑仪. 应用声学. 2013(03)
[4]基于图像锁相的薄膜吸收多通道检测技术[J]. 陶春先,赵元安,贺洪波,邵建达. 光学学报. 2009(08)
[5]355nm激光作用下熔石英损伤增长[J]. 尹伟,徐世珍,祖小涛,蒋晓东,袁晓东,吕海兵,王成程,郑万国. 强激光与粒子束. 2008(12)
[6]熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究[J]. 田东斌,祖小涛,袁晓东,徐世珍,郭袁俊,蒋晓东,李绪平,吕海兵,郑万国. 强激光与粒子束. 2007(09)
[7]光学薄膜测量时平顶光束激励的表面热透镜理论模型[J]. 陈潇潇,李斌成,杨亚培. 物理学报. 2006(09)
[8]激光量热法测量光学薄膜微弱吸收[J]. 李斌成,熊胜明,Holger Blaschke,Detlev Ristau. 中国激光. 2006(06)
[9]表面热透镜薄膜吸收测量灵敏度提高方法[J]. 范树海,贺洪波,邵建达,范正修,赵元安. 物理学报. 2006(02)
[10]原子力显微镜的基本原理及其方法学研究[J]. 朱杰,孙润广. 生命科学仪器. 2005(01)
博士论文
[1]光学元件吸收损耗的高灵敏度检测技术研究[D]. 张晓荣.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[2]薄层材料热性能和缺陷的激光诱导红外辐射检测技术研究[D]. 严来军.电子科技大学 2015
硕士论文
[1]基于损耗特性的光学元件表面质量表征研究[D]. 张兴鑫.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
本文编号：3045835
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