强激光辐照光学元件损伤探测系统开题报告

1、 中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：学 号：10051041学 院：信息与通信工程专 业：光电信息工程设计(论文)题目：强激光辐照光学元件损伤探测系统 的研究 指导教师:凌秀兰 2014年 3 月 5 日 毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 本课题研究的背景 高功率激光器已经广泛的应用于工业加工等领域，特别是目前高功率激光器的研究热点已经从气体和化学激光器逐渐向全固态的激光器过渡，其中半导体激光器作为固体激光器的泵浦源具有体积小、重量轻、寿命长、高转换效率等优点而受到了广泛关注。随着激光通量

2、的提升和紫外激光研究的深入，光学元件的抗破坏能力制约了激光器的发展和紫外领域的研究。激光破坏的产生和生长会导致光速质量及光通量的下降，同时也会造成后续元件的破坏。因此，激光对光学元件的损伤就成了激光研究领域中的一项重要课题。光学元件几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件，并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。长期以来，激光对光学元件的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”，也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主因。另一方面，光学元件也是导弹、遥感卫星等航天飞行器中导引、定位、遥感甚至能源系统中的重要组成元件，应用强激光武器对光学元件的破坏可以造成航天飞行器的致眩、致盲、失控，甚至于

3、系统的整体失效。光学元件中即使出现十分微小的瑕疵，也会导致输出光束质量的下降，严重时将引起整个系统的瘫痪，光学元件的抗损伤特性将直接影响到整个系统的设计方案以及今后系统运行的性能。所以，研究强激光辐照光学元件的损伤探测系统具有非常重要的意义。1.2 国内、外技术发展现状美国利夫莫尔实验室(LLNL)最先开始了光学元件损伤在线检测技术研究。1995年LLNL就开始在Beamlet装置上进行光学元件损伤在线检测的早期工作。在1998年6月的ICF固体激光应用会议中,LLNL实验室的托马斯介绍了NIF的的光学元件损伤在线检测技术。包括用于终端集成光机组件光学元件在线检测(FODI)和用于多程放大系统

4、大口径光学元件损伤在线检测系统(LODI)。采用装置的激光主动照明或检测系统配置的激光主动照明,借助空间滤波器的像传递和其频谱面滤波屏的组合,构造了基于空间滤波器的望远成像系统,对目标元件进行损伤成像。为了消除背景光场的影响,在空间滤波器频谱面上放置不透明小圆屏,构成了背向相干照明暗场成像损伤检测系统,LODI可以获得多程放大系统光学元件暗场损伤图像,经过分析就可以获得损伤点信息。为了对多个激光束线进行检测,NIF将LODI集成在其综合诊断系统(PDS)上,利用PDS的抽样转换光路,将NIF的其他激光束线多程放大系统大口径元件的损伤信息传输到LODI,实现对所有束线光学元件损伤在线检测。199

5、8年NIF设想的终端集成光机组件光学元件损伤在线检测系统安装在靶室旁边的诊断设备操作手(DIM)上,这个时期MF用紫外模拟光源做为照明光源,通过安装在靶室中心的反射镜将携带靶室上终端集成光机组件光学元件损伤信息的汇聚光束传输到靶室外部的终端光学损伤在线检测系统中(FODI),通过旋转反射镜使FODI对准任一终端集成光机组件,实现对所有束线光学元件损伤在线检测。但是由于采用主激光照明,受景深的限制,FODI只能区分终端集成光机组件部分元件的损伤，,例如可以区分位于终端远端的窗口和近端的屏蔽片,但不能区分间距很近的元件。这一时段研究系统的分辨率只能达到0.6mm。2007年,LLNL报道了其建立在

6、NIF上的终端损伤在线检测系统(FODI)。该系统主要包括望远成像仪、成像仪定位器、控制软件和光学检测分析软件四个部分。成像仪是一个光学望远镜,放置在国家点火装置靶室中心,每次激光打靶后,从该位置成像仪能够指向每一束线,获得终端集成光机组件内光学元件的损伤图像。利用其研发的光学损伤检测分析软件可以对图像进行分析,评估光学元件的损伤状况。按照要求FODI要能够探测和追踪所有终端集成光机组件光学元件上直径大于50µm以上的缺陷的发展变化。目前,FODI系统已经安装到国家点火装置中并运行了三年,用做高能系统打靶后光学元件的常规检测。到目前为止,己经检测了7万个光学元件。目前FODI以大于每

7、小时100个光学元件的速度进行检测,最近发展起来的软件将提高该速度,达到每小时190个。FODI是国家点火装置可依赖、有价值的辅助工具，是实验室获得聚变点火计划中重要的组成部分。国内对光学元件损伤检测主要集中在离线光学表面的缺陷和损伤闽值测量。随着高功率ICF激光驱动器的建设,国内也开展了大口径光学元件损伤在线检测研究。2002年上海光机所黄惠杰等研制了一套光学元件在线检测样机,并在国内神光IH原型装置集成演示系统上进行了联机验证,由于该样机采用偏振消光暗场成像,受限于布鲁斯特角放置的钦玻璃片起偏和检偏作用,钦玻璃的背景反光和损伤点散射光的偏振方向相同,如果在检测系统前对背景光检偏,散射光也将

8、被消弱,最终没有实现暗场成像,虽采用明场成像获得了钦玻璃片的损伤图像,但图像对比度较低,损伤点的尺度无法准确测量。2006年四川大学李大海、张际、时霖,华中科技大学的成泽、谢亚平等人等研究了主动照明空间滤波暗场成像光学元件损伤在线检测的可行性,分析讨论了暗场检测的滤波屏尺寸对损伤成像质量的影响。2006年,重庆大学的谢志江等,浙江大学杨甬英、汪风全等分别研制了基于暗场显微成像的元件疵病检测系统。1.3 本课题研究目的 强激光作用下光学元件的损伤是一个复杂的物理、化学过程,取决于激光参数、元件性质和使用环境参数,不同的激光参数(如激光脉宽、激光波长、偏振态、能量密度、功率密度、光斑大小等)对同一

9、个光学元件会造成不同的损伤结果，同样激光参数辐照不同光学元件也会产生不同的损伤；强激光辖照下光学元件的损伤过程包含着强激光与光学材料相互作用的非常丰富的内容,是一个涉及物理、化学、机械、材料等多门学科,包含了力、热、光、电等多种效应的线性和非线性相互作用过程。本课题研究旨在提供一种光学元件体在强激光辐射损伤的自动快速探测系统装置。参考文献： 1 郭汝海,化学氧碘激光器(COIL)的研究进展J.光机电信 息,2010,27(5):2228. 2 郭汝海,郭劲,郭立红等.激光辅助加工三维功能化零件J.中国激光,2008,35(s2):267270. 3 Zhu P1, Li D, Hu P, Sc

10、hell A, Shi P, Haas CR, Wu N, Du K. High efficiency 165 W near-diffraction-limited Nd:YAG(4) slab oscillator pumped at 880 nm.J. OptLett , 2008, 16(11):21202126 4 胡建平,张问辉,段利华,等.透射光学元件的1064nm激光损伤特性J.光学与光电技术,2006,4(6):4951. 5 C E. Thom Pson, DE Deeker, C F. KnoPP. Optics Damage Inspection for the NIF,

11、 Solid state Lasers for Applieation to Inertial Confinement Fusion Monterey,CA,June7(10),1998 6 J. T. Salmon, J. M. Brase, et al, Laser Damage Inspection Final Repot, Laboratory Directed Research and Development program 00-ERD-067,February26,2001 7 AIan Conder, Jim Chang, Laura Kegelmeyer, et al. Fi

12、nal Optics Damage lnspection (FODI) for the National Ignition Facility, Prco. of SPlE,7797,77970P. 8 Carr, L. Kegelmeyer, Z. M. Liao, Defect Classification Using Maelline Learning, LLNL-PROC- 408339 9 R.R. Austin, R. Michaud and A.H. Guenther, “Effects of Structure, Composition, and Stress on the La

13、ser Damage Threshold of Homogeneous and Inhomogeneous Single Films and Multilayers”, Applied Optics, 1973, 12(4): 665676 10 F. Stewart, A. H. Guenther, “Laser damage test results on Balzers round-robin thin film samples”, Applied Optics, 1984, 23(21): 37743778 11 任冰强, 黄惠杰, 张维新等.光学元件损伤在线检测装置及实验研究J.强激

14、光与粒子束,2004,16(4):465468 12 时霖,李大海等,光学元件损伤的暗场检测方法研究,激光杂志,2008,29(6):2930 13 张际,李大海,光学元件损伤暗场成像检测算法.中国激光,2006,8(33):11091112 14 解亚平, 孙志红, 成泽等,光学元件损伤在线检测中的图像处理J. 强激光与粒子束,2006,18(7):2530 15 王雪,谢志江,大口径精密光学元件表面疵病检测系统研究,仪器仪表学报,2007,27(10),12621265 16 谢亚平,高功率固体激光光学元件损伤在线检测装置的研究,华中科技大学硕士学位论文,2006 毕 业 论 文 开 题

15、报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 本课题主要解决的问题通过对设计题目的深入了解，分析了本课题研究可能遇到的一些问题：(1). 激光辐射照明系统:选择合适激光器和透镜组组成脉冲激光辐射系统和激光辐照系统。(2). 损伤探测系统：由光阑、透镜组、光电探测器（可以考虑CCD，激光二极管等）组成损伤探测系统。(3). 整体控制模块：光电探测器输出端与计算机输入端相接，输出端通过数据输出卡与所 述的激光器及移动平台的控制端相连。2.2 本课题的研究手段2.2.1 系统工作原理图1 基本设计框图本课题的基本设计流程如图1所示。由激光器发出的光源经过光学系统辐照在被测的光学元

16、件上，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模/数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。2.2.2 激光辐射照明系统Nd:YAG激光: Nd:YAG激光器输出测试光束，连接到计算机控制激光的输出能量，作为本系统中的高能激光输出，对光学元件损伤进行测试。采用电光调Q，输出波长为1064nm，激光脉宽12ns，工作在单横模状态，激光输出频率在1-10Hz之间可调，最高单脉冲能量可达110mJ。Nd:YAG激光器具有较高的量子效率，受激辐射截面大，还具有较高的热传导率，易于散热。Nd:YAG不仅可以

17、单次脉冲运转，还可以用于高重复率或连续运转。He-Ne激光：在本系统中，He-Ne激光作为光源照射在损伤的光学元件上，在光学元件表面的损伤点发生散射。在检测系统中只作为光源，控制在较小的能量范围内就可以，不用对激光功率进行控制，故不连接计算机。由于气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦。但是气体工作物质的单色性好，方向性好，因此作为照射光源比较合适。2.2.3损伤探测系统在等效靶面位置上记录取出的部分光束的光斑以监测每个脉冲的能量密度分布情况并计算光斑的高斯半径。此外还使用能量计采集取出的部分光束以检测能量波动情况并以此计算辐照样品表面的脉冲能量。CCD相机可以实时观察待测样品表面的变化情况，并可在激光脉冲辐照前后进行图像采集、进行图像相减处理以自动判断损伤产生与否。检测系统中引入CCD相机可使损伤实现自动化测量。 2.2.4 整体控制模块： 控制控制步进电机，即可在X、Y方向对样品测试区域进行准确定位，并可按测试要求进行调整以满足不同入射角度的要求。 控制可以调节照射到样品表面的光束能量。目的是为了防止高能激光功率过大而对光学元件造成不可恢复的损伤。 利用在线成像可以实时观察待测样品表面的变化情况，并可在激光脉冲辐照前后进行图像采集、进行图像相减处理以自动判断损伤产生与否。整套激光损伤探测系统可实现自动化测量，包括能量调节、在线成像、