一種金屬靶材激光損傷閾值監測新方法

邢乃心 李昌立 王耀德

（長春理工大學理學院，吉林 長春130022）

引言

激光損傷閾值不僅為光學元件提供了安全的使用范圍，并且在提高其抗損傷性研究中也起到至關重要的作用。目前一些常見的激光損傷判別方法有：相襯顯微鏡觀測法[1]、光聲測量法[2]、散射光強測試法[3]、光熱偏轉法[4]、等離子體閃光法[5]、圖像處理法[6]等等。以上每種方法都有其明顯的優勢和不足。相襯顯微鏡法的優勢是觀察準確，但受人為因素的影響較大；散射光強測試法的優點是能實現在線測量，大程度的提升工作效率，而缺憾是對被測樣品表面的光潔度要求高，影響測量精度；光熱偏轉法的優勢在于對試樣不需做專門處理，但此方法對反射光、散射光反應不敏感；而等離子體閃光法由于操作方便和結構簡單，從而被大家認可接受，但是因為是用肉眼進行觀察，所以測量受人為因素影響太大，且由于大氣擊穿而易產生錯誤判斷。圖像處理法采用計算機對激光輻照后圖像的分析處理來得到激光能量密度，其中也存在著一定的誤差。基于以上所有的研究方法，本文提出一種可以更準確地判斷測試金屬靶材是否發生激光誘導損傷的新方法，即基于散射光強測試法而改進的激光損傷閾值監測方法，實驗探測裝置運用四象限探測系統，從而實現較高精度的損傷閾值判別。

1 監測系統裝置的搭建

根據實驗需求，搭建以下實驗裝置：

圖1 監測系統示意圖

圖2 監測材料激光損傷系統示意圖

系統的關鍵部分為監測材料激光損傷系統，此系統選用四象限探測器作為光電探測裝置，后接上位機程序部分，以完成整個系統的運行。

2 基于散射光的激光損傷閾值監測實驗的研究

首先調整損傷用激光器系統光路，損傷用激光器系統具有瞄準激光，該瞄準激光與損傷用激光同軸，經擴束準直后，二者聚焦到靶材的同一點上。其次調整監測材料激光損傷系統中的光路，先將各透鏡、光闌、探測器和光闌調整后固定在同一高度，激光損傷閾值在線監測系統中的探測光激光器發出連續可見光激光，經一個4F 系統后，使其照射到靶面的激光損傷區域（與損傷用激光在靶材上同一作用點）。調整四象限探測系統和探測器前4F 系統的角度，使照明光源作用在靶材上時的反射光可以讓探測器全部接收，進而實現系統瞄準。

光路調試完成后，在線監測系統的四象限探測器時刻接收照明激光的散射波信號。打開損傷用激光器對靶材表面進行輻照，當靶材表面出現損傷時，照明激光的散射波將發生變化，使四象限探測器的四路信號電平產生突變，以此達到監測損傷閾值的效果。

3 系統測試結果

圖3 系統聯調測試結果圖

如圖3 所示為系統上位機聯調測試結果圖。初始時靶材表面相對光滑，雷達圖中的激光回波光束中心位置基本位于雷達圖中心，此時散射光沒有偏折。(b)時刻，靶材表面由于受到激光作用而發生形貌變化，靶材熔坑處的散射光發生偏移，雷達圖中激光回波光束中心位置偏移并遠離雷達中心點，此時探測器接收到的光信號減弱。此系統靈敏度高，可以實時響應散射光能量和位置的變化。

4 結論

提出了一種基于散射光的激光損傷閾值監測的新方法，利用金屬鋁靶材對監測系統進行了聯調測試。測試結果表明，此測試系統原理簡單，測量方法可行，靈敏度高，具有較好的應用價值。本測試方法可以通過四象限探測器四路信號電平的變化來準確的判定激光誘導鋁靶材的損傷閾值，提高了判定精度并易實現在線測量。