留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用

李翠 史晋芳 邱荣 叶成 郭德成 蒋勇

李翠, 史晋芳, 邱荣, 等. 图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
引用本文: 李翠, 史晋芳, 邱荣, 等. 图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
Li Cui, Shi Jinfang, Qiu Rong, et al. Application of image processing in the dual-wavelength laser-induced damage growth of fused silica[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
Citation: Li Cui, Shi Jinfang, Qiu Rong, et al. Application of image processing in the dual-wavelength laser-induced damage growth of fused silica[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076

图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用

doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
基金项目: 国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目(U1530109);国家自然科学基金项目(11972313)
详细信息
    作者简介:

    李 翠(1996—),女,硕士研究生,从事激光损伤阈值测量方面的研究;952187791@qq.com

    通讯作者:

    史晋芳(1977—),女,副教授,硕士生导师,主要从事智能化测控与图像处理技术的研究;603071939@qq.com

  • 中图分类号: TN244;O436

Application of image processing in the dual-wavelength laser-induced damage growth of fused silica

  • 摘要: 利用图像处理方法对比研究了单波长辐照和双波长激光同时辐照下熔石英光学元件的损伤增长阈值。通过实时采集损伤图像和靶面光斑能量空间分布,获取损伤增长发生位置对应的能量密度。针对$3\omega $单独辐照、$3\omega $$1\omega $同时辐照下熔石英元件损伤增长的实验数据,比较分析了基于图像处理方法和传统损伤增长阈值R-on-1测量方法(国标)所得结果的差异。结果表明:本文采用的图像处理方法在研究小口径非均匀光斑辐照下的熔石英光学元件损伤增长阈值时,能解决传统损伤阈值测试中将能量密度分布非均匀光斑等效为均匀分布的平顶光斑带来的计算误差问题,有助于降低损伤(增长)阈值测量中的光斑口径效应。
  • 图  1  双波长辐照光学元件损伤(增长)测试实验装置

    Figure  1.  Experimental device for damage (growth) testing of dual-wavelength irradiated optical elements

    图  2  获取靶面辐照区能量密度分布的流程

    Figure  2.  Process of obtaining the energy density distribution in the irradiation area of the target surface

    图  3  $3\omega $单独辐照下熔石英后表面损伤增长的典型结果

    Figure  3.  Typical results of surface damage growth of fused silica irradiated by $3\omega $ lasers.

    (a) laser energy density distribution (b) damage growth morphology(the small picture on the right is the morphology before the damage increases) (c) matching results of energy density distribution and damage growth morphology

    图  4  $3\omega $$1\omega $同时辐照下熔石英后表面损伤增长的典型结果

    Figure  4.  The typical results of surface damage growth of fused silica under simultaneous irradiation of $3\omega $ and $1\omega $ lasers

    (a) $3\omega $ Energy density distribution; (b) $1\omega $ Energy density distribution; (c) Damage growth morphology(The small picture on the right is the morphology before the damage increases); (d) The matching results of energy density distribution and damage growth morphology

    表  1  $3\omega $激光单独辐照下损伤增长阈值的测试实验

    Table  1.   Testing experiments of damage growth threshold irradiated by$3\omega $lasers

    No.12345678910
    image processing/(J/cm29.1812.399.258.7010.9811.8714.1912.449.768.89
    traditional method/(J/cm25.179.595.565.176.608.648.197.546.505.17
    下载: 导出CSV

    表  2  $3\omega $$1\omega $同时辐照且平均能量密度比为5:1的损伤增长阈值

    Table  2.   Damage growth thresholds under simultaneous irradiation of $3\omega $ and $1\omega $ lasers with an average energy density ratio of 5:1

    No.3ω1ω
    image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2
    1 6.51 4.79 2.07 0.93
    2 8.76 4.73 2.44 0.96
    3 8.79 4.82 2.47 0.95
    4 7.44 4.76 2.10 0.95
    5 10.58 7.93 4.03 1.58
    6 11.65 6.44 2.87 1.27
    7 10.90 7.87 3.85 1.58
    8 12.26 7.84 3.00 1.58
    9 11.35 6.44 3.17 1.27
    10 9.88 6.28 3.30 1.28
    下载: 导出CSV

    表  3  $3\omega $$1\omega $同时辐照且平均能量密度比为5:5的损伤增长阈值

    Table  3.   Damage growth thresholds under simultaneous irradiation of $3\omega $ and $1\omega $ lasers with an average energy density ratio of 5:5

    No.3ω1ω
    image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2
    1 8.17 4.76 12.99 4.91
    2 5.82 4.00 10.28 4.11
    3 7.40 4.00 10.55 4.11
    4 9.10 4.92 12.42 5.06
    5 12.02 6.19 14.42 6.28
    6 10.01 6.34 14.56 6.28
    7 10.42 6.15 15.14 6.37
    8 8.64 4.79 13.17 4.94
    9 7.98 4.79 10.69 4.94
    10 11.74 6.34 15.70 6.40
    下载: 导出CSV
  • [1] Norton M A, Carr A V, Carr C W, et al. Laser damage growth in fused silica with simultaneous 351nm and 1053nm irradiation[C]//International Society for Optics and Photonics Laser-Induced Damage in Optical Materials. 2008: 7132H.
    [2] 曹珍, 贺洪波, 胡国行, 等. 多脉冲激光诱导熔石英体损伤的时间分辨研究[J]. 中国激光, 2019, 46(8):133-138. (Cao Zhen, He Hongbo, Hu Guoxing, et al. Time-resolved study of multi-pulse laser induced fused silica damage[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(8): 133-138
    [3] Gao X, Yao K, Luo Y, et al. Investigation on laser damage probability of fused silica with simultaneous multi-wavelength irradiation[J]. Plasmonics, 2018, 13(2): 617-622. doi:  10.1007/s11468-017-0552-y
    [4] Zhang L, Ma B, Wang K, et al. Morphology and growth properties of nano-and submicrometer-scale initial damage sites under 355 nm wavelength pulsed laser irradiation[J]. Applied optics, 2018, 57(12): 3166-3171. doi:  10.1364/AO.57.003166
    [5] 韩伟, 冯斌, 郑奎兴, 等. 高功率激光装置熔石英紫外损伤增长研究[J]. 物理学报, 2016, 65(24):246102. (Han Wei, Feng Bin, Zheng Kuixing, et al. Research on UV damage growth of fused silica in high power laser device[J]. Acta Physica Sinica, 2016, 65(24): 246102 doi:  10.7498/aps.65.246102
    [6] 王洪祥, 沈璐, 李成福, 等. 光学元件激光诱导损伤分析及实验研究[J]. 中国激光, 2017, 44:0302006. (Wang Hongxiang, Shen Lu, Li Chengfu, et al. Analysis and experimental study of optical element induced damage[J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44: 0302006 doi:  10.3788/CJL201744.0302006
    [7] 邱荣, 蒋勇, 郭德成, 等. 多波长辐照下熔石英光学元件的损伤及损伤增长[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:082001. (Qiu Rong, Jiang Yong, Guo Decheng, et al. Damage and growth of fused silica optical elements under multi-wavelength irradiation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 082001 doi:  10.11884/HPLPB201931.190211
    [8] Chambonneau M, Lamaignère L. Multi-wavelength growth of nanosecond laser-induced surface damage on fused silica gratings[J]. Scientific reports, 2018, 8(1): 891. doi:  10.1038/s41598-017-18957-9
    [9] Chen Y, Li S, Qu X, et al. Numerical investigation of growth model for laser-induced damage in optics under high power laser irradiation[J]. Optik, 2019, 194: 163053. doi:  10.1016/j.ijleo.2019.163053
    [10] 李大伟, 赵元安, 贺洪波, 等. 光学元件激光损伤阈值的指数拟合法以及测试误差分析[J]. 中国激光, 2008, 35(2):273-275. (Li Dawei, Zhao Yuan’an, He Hongbo, et al. Exponential fitting method of laser damage threshold of optical elements and analysis of test error[J]. Chinese Journal of Lasers, 2008, 35(2): 273-275 doi:  10.3321/j.issn:0258-7025.2008.02.024
    [11] GB/T16601.1~4-2017, 中华人民共和国国家标准, 激光器和激光相关设备激光损伤阈值测试方法[S]. 2017.

    GB/T16601.1~4-2017, National standards of the People's Republic of China, laser and laser-related equipment laser damage threshold test method[S]. 2017
    [12] Liu Z, Zheng Y, Pan F, et al. Investigation of laser induced damage threshold measurement with single-shot on thin films[J]. Applied Surface Science, 2016, 382: 294-301. doi:  10.1016/j.apsusc.2016.04.093
    [13] 单翀, 赵元安, 张喜和, 等. 基于高斯脉冲激光空间分辨测量光学元件表面激光损伤阈值研究[J]. 中国激光, 2018, 45:0104002. (Shan Chong, Zhao Yuanan, Zhang Xihe, et al. Study on the Laser damage threshold of optical element surface based on Gaussian pulsed laser spatial resolution[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45: 0104002 doi:  10.3788/CJL201845.0104002
    [14] Grigoryan A M, John A, Agaian S S. A novel color image enhancement method by the transformation of color images to 2-D grayscale images[J]. International Journal of Signal Processing and Analysis, 2017, 2: 002.
    [15] Zhu Rong, Zhu Li, Li Dongnan. Study of color heritage image enhancement algorithms based on histogram equalization[J]. Optik, 2015, 126(24): 5665-5667. doi:  10.1016/j.ijleo.2015.08.169
    [16] 赵琦, 郝士琦, 张岱. 改进阈值分割的光斑中心定位方法[J]. 激光与红外, 2018, 48(5):633-637. (Zhao Qi, He Shiqi, Zhang Dai. Spot center location method based on improved threshold segmentation[J]. Laser & Infrared, 2018, 48(5): 633-637 doi:  10.3969/j.issn.1001-5078.2018.05.018
    [17] 穆娟. 利用圆拟合进行激光光斑中心检测[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(24):127-129. (Mu Juan. Laser spot center detection using circle fitting[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(24): 127-129
  • [1] 邱荣, 蒋勇, 郭德成, 史晋芳, 李翠, 叶成, 周强, 韩伟, 黄进.  多波长激光同时辐照下熔石英元件的损伤研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB202032.190479
    [2] 邱荣, 蒋勇, 郭德成, 叶成, 史晋芳, 周强, 韩伟, 黄进.  多波长辐照下熔石英光学元件的损伤及损伤增长 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201931.190211
    [3] 叶成, 邱荣, 蒋勇, 高翔, 郭德成, 周强, 邓承付.  1064 nm和532 nm纳秒激光同时辐照熔石英损伤规律的研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201830.170387
    [4] 冯博, 刘炳国, 陈凤东, 刘国栋, 彭志涛, 元浩宇, 孙和义.  光学元件损伤在线检测图像处理技术 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132507.1697
    [5] 叶鑫, 黄进, 王凤蕊, 程强, 刘红婕, 周信达, 孙来喜, 张振, 蒋晓东, 郑万国.  熔石英光学元件的损伤前驱及其抑制技术 . 强激光与粒子束, doi: 3220
    [6] 陈庆红, 徐世珍, 黄进, 孙来喜, 郭德成, 程强, 刘红婕, 蒋晓东.  预应力对熔石英损伤的影响 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132510.2531
    [7] 邱荣, 王俊波, 任欢, 周强, 田润妮, 李晓红, 刘浩, 马平.  纳秒激光诱导损伤熔石英玻璃的动力学过程 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132511.2882
    [8] 翟玲玲, 冯国英, 高翔, 韩敬华.  杂质诱导熔石英激光的损伤机理 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132511.2836
    [9] 蒋勇, 袁晓东, 刘春明, 贺少勃, 罗成思, 王海军, 吕海兵, 郑万国, 向霞, 祖小涛.  熔石英表面损伤修复点的损伤概率 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122406.1414
    [10] 张立保, 李浩.  基于双阈值视觉注意模型的图像关注焦点检测 . 强激光与粒子束,
    [11] 王海军, 李熙斌, 吕海兵, 袁晓东, 郑万国.  CO2激光预处理参数对石英基片表面粗糙度的影响 . 强激光与粒子束,
    [12] 陈猛, 向霞, 蒋勇, 祖小涛, 袁晓东, 郑万国, 王海军, 李熙斌, 吕海兵, 蒋晓东, 王成程.  酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值 . 强激光与粒子束,
    [13] 徐世珍, 蒋晓东, 郑万国, 袁晓东, 祖小涛.  预处理对355 nm激光作用下熔石英损伤增长的影响 . 强激光与粒子束,
    [14] 刘志超, 许乔, 欧阳升, 罗晋.  熔石英紫外激光初始损伤形态分析 . 强激光与粒子束,
    [15] 徐世珍, 郑万国, 孙久勋, 尹伟, 袁晓东, 吕海兵, 祖小涛.  环境气氛压强对熔石英紫外激光损伤阈值的影响 . 强激光与粒子束,
    [16] 徐世珍, 吕海兵, 田东斌, 蒋晓东, 袁晓东, 祖小涛, 郑万国.  酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响 . 强激光与粒子束,
    [17] 徐世珍, 袁晓东, 王海军, 黄进, 吕海兵, 蒋晓东, 祖小涛, 郑万国.  基频和三倍频Nd:YAG激光诱导熔石英损伤特性 . 强激光与粒子束,
    [18] 尹伟, 徐世珍, 祖小涛, 蒋晓东, 袁晓东, 吕海兵, 王成程, 郑万国.  355 nm激光作用下熔石英损伤增长 . 强激光与粒子束,
    [19] 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.  熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究 . 强激光与粒子束,
    [20] 解亚平, 孙志红, 成泽, 陈波, 景峰.  光学元件损伤在线检测中的图像处理 . 强激光与粒子束,
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  40
  • HTML全文浏览量:  28
  • PDF下载量:  9
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-24
  • 修回日期:  2020-06-11
  • 网络出版日期:  2020-06-25

图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用

doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
    基金项目:  国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目(U1530109);国家自然科学基金项目(11972313)
    作者简介:

    李 翠(1996—),女,硕士研究生,从事激光损伤阈值测量方面的研究;952187791@qq.com

    通讯作者: 史晋芳(1977—),女,副教授,硕士生导师,主要从事智能化测控与图像处理技术的研究;603071939@qq.com
  • 中图分类号: TN244;O436

摘要: 利用图像处理方法对比研究了单波长辐照和双波长激光同时辐照下熔石英光学元件的损伤增长阈值。通过实时采集损伤图像和靶面光斑能量空间分布,获取损伤增长发生位置对应的能量密度。针对$3\omega $单独辐照、$3\omega $$1\omega $同时辐照下熔石英元件损伤增长的实验数据,比较分析了基于图像处理方法和传统损伤增长阈值R-on-1测量方法(国标)所得结果的差异。结果表明:本文采用的图像处理方法在研究小口径非均匀光斑辐照下的熔石英光学元件损伤增长阈值时,能解决传统损伤阈值测试中将能量密度分布非均匀光斑等效为均匀分布的平顶光斑带来的计算误差问题,有助于降低损伤(增长)阈值测量中的光斑口径效应。

English Abstract

李翠, 史晋芳, 邱荣, 等. 图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
引用本文: 李翠, 史晋芳, 邱荣, 等. 图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
Li Cui, Shi Jinfang, Qiu Rong, et al. Application of image processing in the dual-wavelength laser-induced damage growth of fused silica[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
Citation: Li Cui, Shi Jinfang, Qiu Rong, et al. Application of image processing in the dual-wavelength laser-induced damage growth of fused silica[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200076
  • 强激光诱导光学元件损伤是制约大型激光驱动器稳定、安全运行的瓶颈问题之一[1-3]。为满足物理实验三倍频打靶需求,终端组件总是工作在多波长激光同时辐照下,多波长同时辐照下光学元件的损伤比单波长要复杂得多[4-7]。研究双波长激光同时辐照下的损伤增长,有助于预测光学元件的使用寿命,提高系统的负载能力并降低运行成本[8-9]。利用聚焦小光斑进行损伤增长的实验室测试中,测试结果与实际工程应用结果存在较大差异[10],引起这种差异的部分原因是国标[11]定义靶面能量密度为脉冲能量与靶面光斑面积之比,其实质是靶面光斑内的平均能量密度,而损伤增长行为大都发生在峰值能量密度区域附近;在离焦靶面、双波长同时辐照的损伤增长测试中,由于离焦引起的靶面非规则能量分布、光束指向性漂移引起的脉冲间辐照区域的不完全重合等问题加大了测试结果的不稳定性。所以,利用图像处理方法,获得损伤增长位置的准确能量密度是非常有必要的。

    基于图像处理方法的光学元件损伤研究,国内外开展了大量研究。刘志超等人[12]基于图像处理方法研究了损伤点位置与光束能量分布区域轮廓的对应关系,建立了单次、大光斑激光辐照下的薄膜元件的损伤阈值测试方法。单翀等人[13]利用图像处理法对靶面近高斯光斑进行等能量密度差分区,通过统计对应能量密度区的损伤密度,建立了光学元件表面激光损伤阈值的测试方法。其研究结果均表明,图像处理方法能够解决激光损伤阈值测试中由于光斑能量分布不均匀带来的误差。当前,利用图像处理方法对光学元件进行多波长同时辐照下的损伤增长研究鲜见公开报道。本文发展了基于图像处理的激光诱导光学元件损伤增长研究方法,基于此方法研究了单波长辐照、双波长同时辐照下熔石英光学元件的损伤增长规律,并利用此方法和传统方法对比研究了熔石英光学元件的损伤增长阈值。

    • 多波长损伤增长研究实验系统如图1所示。Nd:YAG激光器(Spectra-Physcis,LAB-190-10)产生基频($1\omega $,1064 nm,约12 ns)和三倍频($3\omega $,355 nm,约9 ns)激光,由分光镜进行谐波分离。半波片和偏振片组成能量调节系统用于控制靶面能量;扩束镜(TS)用于调节靶面光斑大小;光束质量分析仪(Newport,LBP2-HR-VIS2)用于获取光束能量分布,光束质量分析仪CCD的光敏面与靶面共轭;三维电控平移台用于放置并移动样品;能量计用于实时测量脉冲能量;在线成像CCD(度申科技,MGS1201M-H)与入射激光方向呈15°角,用于判断损伤增长并获得损伤图像。实验样品为表面精抛光后由超声辅助氢氟酸刻蚀的Corning7980熔石英玻璃。

      图  1  双波长辐照光学元件损伤(增长)测试实验装置

      Figure 1.  Experimental device for damage (growth) testing of dual-wavelength irradiated optical elements

    • 通过图像处理方法建立靶面激光辐照区能量密度分布的流程如图2所示。

      图  2  获取靶面辐照区能量密度分布的流程

      Figure 2.  Process of obtaining the energy density distribution in the irradiation area of the target surface

      在脉冲激光辐照过程中,利用光束质量分析仪获得激光光斑能量空间分布图,利用在线成像CCD获得靶面光斑位置光束轮廓图和损伤形貌图,利用能量计获取脉冲能量。通过预处理、定标、对齐等步骤后,获得以光束质量分析仪CCD像元为基础的靶面光斑能量密度分布。

      图像预处理主要包括图像矫正、图像增强以及图像分割。图像矫正采用透视变换算法,解决损伤成像CCD轴线与样品表面法线呈$\theta $角所带来的图像畸变问题;图像增强采用灰度变换算法[14-15],增加损伤区与未损伤区的对比度,保证损伤区域的有效分割;图像分割采用改进的Otsu阈值分割方法[16],有效抑制由于灰度导致的图像欠分割现象。

      对获得的激光光斑能量空间分布图进行像素点的能量密度定标。具体过程如下:首先,扣除背景并通过光束质量分析仪得到光斑内所有像素点的灰度值;其次,对光束内所有像素点的灰度值进行积分;最后,对灰度值积分结果和脉冲能量进行归一化,如公式(1)所示,得到光斑内每一像素点的能量密度

      $${E_{\rm{d}}}\left( {x,y} \right) = \frac{{{G_{\rm{d}}}\left( {x,y} \right) \times {E_{\rm{p}}}}}{{{G_{\rm{p}}} \times S\left( {x,y} \right)}}$$ (1)

      式中:${G_{\rm{d}}}\left( {x,y} \right)$是对应像素点$\left( {x,y} \right)$的灰度值;$S\left( {x,y} \right)$是对应像素点$\left( {x,y} \right)$的面积;${E_{\rm{p}}}$是激光脉冲总能量;${G_{\rm{p}}}$是整个激光辐照区域的灰度值积分。

      利用分辨率板对在线损伤成像CCD获得的图像进行长度定标,确定损伤区域表示的实际大小。基于图像像素点的等比例缩放法,统一光束轮廓图和能量空间分布图两者间像素点实际大小,即

      $$\frac{{{F_{\rm{\mu }}}}}{{{F_{\rm{p}}}}} = \frac{{{R_{\rm{\mu }}}}}{{{R_{\rm{p}}}}}K$$ (2)

      式中:${F_{\rm{\mu }}}$${R_{\rm{\mu }}}$分别为能量空间分布图和光束轮廓图的实际尺寸;${F_{\rm{p}}}$${R_{\rm{p}}}$分别为能量空间分布图和光束轮廓图的图像尺寸;$K$为缩放因子。

      采用基于最小二乘法拟合圆[17]寻找激光光斑能量空间分布图(光束质量分析仪)和校正后的靶面光束轮廓图的中心坐标,通过对比中心坐标、特征形貌和实际尺寸,利用缩放、平移等坐标变换方式建立光斑位置和样品位置的关系。

    • 在损伤增长阈值实验中,选取$3\omega $单独辐照产生的直径为30~50 μm的初始损伤坑为损伤增长阈值研究对象,采用R-on-1辐照方式,每次辐照后均比较损伤坑形貌。激光能量从0开始,缓慢增加,直到出现损伤增长现象,利用图像处理方法获得损伤增长处的能量密度。为了分析$3\omega $$1\omega $分别对损伤增长的贡献,对比研究了$3\omega $单独辐照、$3\omega $$1\omega $同时辐照且能量密度比分别为5:1(大型激光装置终端光学组件输出三波长激光的能量密度比$3\omega $:$2\omega $:$1\omega $≈5:1:1)和5:5的情况下,熔石英光学元件后表面的损伤增长规律,比较了损伤增长阈值测试方法与图像处理方法所得结果的差异。

    • 图3所示为$3\omega $激光单独辐照下,利用图像处理方法获得熔石英光学元件后表面损伤增长情况的典型结果。其中图3(a)为靶面能量密度二维分布,图3(b)为损伤增长前后的形貌,损伤增长前面积为3.25×10-5 cm2,损伤增长后面积为3.84×10-5 cm2,图3(c)为激光能量密度分布与损伤形貌的匹配结果。

      图  3  $3\omega $单独辐照下熔石英后表面损伤增长的典型结果

      Figure 3.  Typical results of surface damage growth of fused silica irradiated by $3\omega $ lasers.

      表1$3\omega $激光单独辐照下熔石英光学元件后表面损伤增长阈值的测试结果。在同一样品的不同区域获得了10组有效实验数据,把发生损伤增长时对应的最低能量密度作为损伤增长阈值。标准损伤增长阈值测试方法得到结果为5.17 J/cm2,利用图像处理方法得到的结果为8.7 J/cm2

      表 1  $3\omega $激光单独辐照下损伤增长阈值的测试实验

      Table 1.  Testing experiments of damage growth threshold irradiated by$3\omega $lasers

      No.12345678910
      image processing/(J/cm29.1812.399.258.7010.9811.8714.1912.449.768.89
      traditional method/(J/cm25.179.595.565.176.608.648.197.546.505.17
    • 图4$3\omega $$1\omega $同时辐照下,熔石英光学元件后表面损伤增长阈值的测试结果。其中图4(a)图4(b)分别为$3\omega $$1\omega $的靶面能量密度二维分布,图4(c)为损伤增长前后的形貌,损伤增长前面积为1.57×10-5 cm2,损伤增长后面积为3.27×10-5 cm2,图4(d)为激光能量密度分布与损伤形貌的匹配结果。

      图  4  $3\omega $$1\omega $同时辐照下熔石英后表面损伤增长的典型结果

      Figure 4.  The typical results of surface damage growth of fused silica under simultaneous irradiation of $3\omega $ and $1\omega $ lasers

      表2$3\omega $$1\omega $同时辐照且能量密度比约5:1时,熔石英光学元件后表面损伤增长阈值的测试情况。发生损伤增长现象时对应的最低能量密度分别是,标准损伤增长阈值测试方法得到的结果为4.73 J/cm2@$3\omega $+0.96 J/cm2@$1\omega $,利用图像处理方法得到的结果为6.51 J/cm2@$3\omega $+2.07 J/cm2@$1\omega $

      表 2  $3\omega $$1\omega $同时辐照且平均能量密度比为5:1的损伤增长阈值

      Table 2.  Damage growth thresholds under simultaneous irradiation of $3\omega $ and $1\omega $ lasers with an average energy density ratio of 5:1

      No.3ω1ω
      image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2
      1 6.51 4.79 2.07 0.93
      2 8.76 4.73 2.44 0.96
      3 8.79 4.82 2.47 0.95
      4 7.44 4.76 2.10 0.95
      5 10.58 7.93 4.03 1.58
      6 11.65 6.44 2.87 1.27
      7 10.90 7.87 3.85 1.58
      8 12.26 7.84 3.00 1.58
      9 11.35 6.44 3.17 1.27
      10 9.88 6.28 3.30 1.28

      表3$3\omega $$1\omega $同时辐照且能量密度比约5:5时的测试情况,其中标准损伤增长阈值测试方法得到的结果为4 J/cm2@$3\omega $+4.11 J/cm2@$1\omega $,利用图像处理方法得到的结果为5.82 J/cm2@$3\omega $+10.28 J/cm2@$1\omega $

      表 3  $3\omega $$1\omega $同时辐照且平均能量密度比为5:5的损伤增长阈值

      Table 3.  Damage growth thresholds under simultaneous irradiation of $3\omega $ and $1\omega $ lasers with an average energy density ratio of 5:5

      No.3ω1ω
      image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2image processing/(J/cm2traditional method/(J/cm2
      1 8.17 4.76 12.99 4.91
      2 5.82 4.00 10.28 4.11
      3 7.40 4.00 10.55 4.11
      4 9.10 4.92 12.42 5.06
      5 12.02 6.19 14.42 6.28
      6 10.01 6.34 14.56 6.28
      7 10.42 6.15 15.14 6.37
      8 8.64 4.79 13.17 4.94
      9 7.98 4.79 10.69 4.94
      10 11.74 6.34 15.70 6.40

      对实验结果进行比较和分析可知:无论是单波长还是双波长辐照,利用图像处理方法获得的最小损伤增长能量密度都大于按传统损伤增长阈值定义获得的结果,而且,不同初始损伤坑之间发生损伤增长现象时对应的能量密度差异也很大。由于图像处理方法得到的是损伤增长现象发生位置处对应的能量密度,该能量密度往往都在峰值能量密度附近(但不一定是峰值能量密度),具有更加准确的空间分辨能力,结合初始损伤结构、损伤增长过程中的超快高空间分辨率成像技术,能反应光斑内不同能量密度、损伤坑不同结构以及两者之间的相互作用规律。

      比较表1表2表3的结果,能量密度远低于其单独辐照对应损伤增长阈值[7], $1\omega $$3\omega $同时辐照,会降低$3\omega $的损伤增长阈值,$1\omega $能量密度越大,发生损伤增长现象时$3\omega $对应的能量密度降低得越多。当$3\omega $$1\omega $的能量密度比为约5:1(图像处理方法对应的能量密度比为5:1.6)时,$3\omega $的损伤增长阈值相比其单独辐照降低了8.5%(图像处理方法对应的结果降低了25 %);当$3\omega $$1\omega $的能量密度比为约5:5(图像处理方法对应的能量密度比为5:8.8)时,$3\omega $的损伤增长阈值降低了23 %(图像处理方法降低了33%)。这样的结果表明,在大型激光装置的终端光学组件中,谐波转换剩余的$1\omega $部分会加速光学元件的损伤增长过程,对其进行屏蔽或采取其它降低其能量密度的手段是有必要的。

      在双波长同时辐照下,图像处理方法能直观地反映两个波长间光斑的能量分布和重叠情况,能准确反映损伤现象发生处两个波长的能量密度。这对于采用聚焦光束、非规则小光斑进行损伤(增长)规律研究具有非常重要的意义,可以作为实验室参数测量与实际工程应用的一座桥梁。

    • 多波长激光同时辐照下光学元件的损伤(增长)过程非常复杂,同时涉及激光与材料相互作用的波长效应和波长间的能量耦合效应,在研究中考虑辐照区能量密度的空间分布,对分析各波长激光对损伤(增长)行为的实际贡献和建立多波长损伤(增长)的物理机制非常重要。基于图像处理的靶面能量密度处理方法,相较于利用脉冲能量与靶面光斑面积之比来确定靶面能量密度的传统方法,能提高小口径非均匀光斑的损伤增长阈值测试结果的准确性,有效降低损伤阈值测量中的口径效应,解决多波长同时辐照下因光斑和脉冲间不完全重叠引起的辐照区能量密度不稳定问题。事实上,对于中等口径或大口径光束,能量分布不均匀现象也普遍存在,在对应的初始损伤和损伤增长研究中,利用图像处理方法获得损伤(增长)现象发生位置的能量密度也是非常有必要的。

      致 谢 感谢国家自然科学基金委和中国工程物理研究院激光聚变研究中心的项目支持以及西南科技大学极端条件物质特性联合实验室的支持。

目录

    /

    返回文章
    返回