光学元件的激光承载能力测试研究(2)
本课题将使用动态干涉仪等设备，实时监测不同光学元件（透射或反射等）在百瓦级到千瓦级激光束照射下的变化情况；使用白光轮廓仪等检测光学元件表面在激光照射前后的损伤情况。通过实验确认不同元器件的承载能力以保障相关实验的安全。
1.2 国内外研究状况
2 激光损伤与热变形机理及测试仪器
2.1 激光损伤与热变形机理
光学元件由于材料本身吸收及其镀膜工艺等的吸收，在强激光的照射下镜面产生热变形，甚至造成膜层及光学元件本身的损伤。由于光学元件热变形发生在激光传输过程中，从而导致光学图像发生变化，进而影响光束的传输。所以研究强激光对光学元件承载能力，即光学元件的热变形和激光损伤，有实用的指导意义。而用强激光做实验时，常用的反射镜是冷却镜和非冷却镜，且两种反射镜在强激光作用下的激光损伤机理和光学元件的热变形机理不相同。如果在强激光功率密度很高时，非冷却镜一般要用熔石英、硅和钥等作为基片材料。
高功率激光照射光学元件时，基片和膜层可以吸收光能，然后将光能转化成热能，进而光学元件形成温度梯度和局部温度，致使光学元件发热，而在一定的发热程度中，会使其产生热变形。如果吸收的光能越多，在高功率激光的照射下，光学元件还会造成激光损伤。而且随着膜层材料的不同，光学元件的热变形和激光损伤也随之不同。
光学元件对激光的吸收和散射不仅会导致膜层性能的下降，而且还容易引起膜层的激光损伤。激光损伤是由激光辐射引起的，能够探测（或观察）到的光学表面（或膜系）特征的永久性变化。而激光损伤阈值是指可引起光学表面（或膜系）损伤几率为0的最大激光辐射能量密度或功率密度。
在超过激光损伤阈值的强激光的照射下，光学元件会产生激光损伤。光学元件的激光损伤有两种情况，一种是薄膜损伤，另一种是体损伤。光学薄膜的激光损伤可以分为三类：场效应、热效应、等离子体破坏。场效应是指强激光中的强电场对膜层的效应，然后在膜层中形成驻波，从而造成膜层的激光损伤。热效应是指膜层吸收光能，然后转化为热能，从而发生热效应。高功率激光能够使得膜层电离形成等离子体，从而造成对膜层的激光损伤。由于膜层对强激光的吸收，使得膜层积累的能量很多，而大部分光能都转化为热能，从而形成了激光损伤。高功率激光照射光学元件时，基片和膜层可以吸收光能，致使光学元件的温度升高。当吸收的光能达到一定程度时，光学元件就会发生不可逆转的损伤。这就是激光损伤，而开始产生激光损伤时的临界值就是激光损伤阈值。所以，强激光辐射导致的热效应是激光损伤的基本过程。
检测激光损伤的主要方法有光斑形成法、相称显微法、等离子体闪光法、投射反射扫描法、光热偏转法、光声测量法及雾气法。
2.2 快速测量与动态干涉仪
2.2.1 动态干涉仪原理
本课题中的要用到强激光做实验，而强激光在长时间内会对实验仪器造成破坏，为了减少危险，需要快速测量，而动态干涉仪正好能够快速的测量，所以要用它进行本课题的实验。如下图1、图2分别是泰曼格林系列和菲索系列动态干涉仪。
图1 泰曼格林系列动态干涉仪 图2 菲索系列动态干涉仪
动态干涉仪是采用偏振光干涉原理，然后将传统相移干涉仪的时间域相移转换为空间域相移，并采用其独创的相位相关的CCD技术，使得在一个CCD帧频内就可实现全分辨的测量。其原理图如下图3所示：