基于光学材料阈值测量时激光对焦方法研究

激光对焦光学系统如图 1 所示，包括激光器、激光衰减片、会聚透镜、材料平移台"CCD显微成像系统。文中 实 验 系 统 采 用 的 激 光 器 输 出 波 长 为800nm，最大输出平均功率为5w。光束质量 因子为1.2，较好的光束质量可以实现更小的聚焦光斑，从而提升焦点处的激光功率密度。图2 为可调型激光衰减片系统，通过调节衰减量控制焦点处的激光功率密度。

测量光学玻璃材料的表面损伤阈值过程中，一般采用短焦距透镜聚焦，使得焦点前后激光功率密度小于自聚焦效应阈值，提高测量的准确性; 另一方面，这种紧聚焦方式也可以防止激光首先损伤材料的后表面，因为激光在材料后表面附近由于干涉形成场增强效应，提高了局部的光场强度。利用短焦距和长焦距透镜对激光的聚焦效果分别如图 3和图 4 所示，可见，短焦距透镜一方面可以使聚焦光斑更小，另一方面焦点所占的区域也更小; 但同时激光束在焦点前后发散更大，这对材料表面在激光焦点的定位控制要求更高。在本实验系统中，透镜焦距为10mm，通过刀口法测量焦斑直径( 1/ ) 为6u，从而计算得到焦点处激光功率密度达到0.18TW/cm2，该功率密度下，观察到了明显的空气电离现象。

实际上，光束质量是影响焦斑大小从而影响焦点功率密度的最主要因素，其次才是激光功率，因为对衍射极限的激光束而言，理论上只要使用大数值孔径的聚焦透镜，就可以使焦点激光功率密度到达空气电离的要求。

材料平移装置为 3 维可调型移动设备，如图 1所示。材料平移装置 3 个维度分别是指材料平移台y 轴和材料平移台 x轴和材料平移台 z 轴，其中使材料平移台z轴平行于激光束的光路方向( 即会聚透镜的光轴方向) ，材料平移台 y轴和材料平移台 x轴垂直于激光束的光路方向。将待测光学材料固定在平移台上，使材料表面垂直于激光束。

激光束经会聚透镜聚焦，产生空气电离形成等离子体亮点，该等离子体亮点通过光学材料表面形成一亮点镜像，CCD 显微成像系统同时采集等离子体亮点和亮点镜像的图像并实时输出到图像输出设备。CCD显微成像系统装包括CCD 相机"显微镜头"相机平移装置和图像输出设备( 本方法的图像输出设备是指装有图像采集"处理系统的计算机，且该计算机带有输出图像的显示设备) 。显微镜头的放大倍率为 4/ 倍，CCD相机安装在相机平移装置上，CCD相机通过数据线与图像输出设备相连接，CCD 相机拍摄的图像画面可通过图像输出设备的显示器实时输出。为保证整个CCD 显微成像系统不会对光束传播"材料平移及成像造成阻碍，显微镜头的工作距离为30mm，显微镜头的光轴与激光束的光轴夹角约为 45°。CCD显微成像系统中的相机平移装置( 如图1 所示) 同样为 3 维可调型移动设备，其中相机平移台 z 轴控制显微镜头与等离子体亮点的远近，相机平移台轴和相机平移台x 轴所在的平面与会聚透镜光轴的夹角约为45°。