基于光学材料阈值测量时激光对焦方法研究

2.2.激光对焦方法

利用上述的激光对焦光学系统，实现激光对焦定位，具体包括以下步骤。

( 1) 形成等离子体亮点。激光器输出的激光束通过激光衰减片，再垂直入射到会聚透镜上，形成激光焦点; 本实验系统中，焦点激光功率密度 为0.18 *1012W/m2，该功率密度下，焦点处的空气被电离产生肉眼可观察的等离子体亮点。

( 2) 形成亮点镜像。如图 5 所示，将待测光学材料固定在平移台上，平移台 z 轴与会聚透镜的光轴平行，此时材料表面垂直于激光束的传播光路; 平移台x 轴和y轴，使材料表面对准等离子体亮点，通过调节平移台 z 轴，使光学材料表面逐渐靠近等离子体亮点，直至等离子体亮点能在材料表面形成清晰的镜像，调整过程中不要使材料表面接触等离子体亮点，以免发生激光烧蚀，间隔的距离以恰好能清晰观察到亮点镜像为准。

（3）采集输出图像。根据 CCD 显微镜的输出图像调整显微镜平移台，使显微镜首先对焦点处的等离子体亮点清晰成像，进一步使材料表面靠近等离子体亮点，以保证等离子体亮点和亮点镜像均进入显微镜视场; 带显微镜头的CCD相机的布置及相机平移台的调节过程均要求显微镜头不能接触光学材料，也不能阻挡激光束。

（4）调节亮点大小。通过调节激光器的输出功率和/或激光衰减片系统以逐渐减弱等离子体亮点和亮点镜像的亮度，直至等离子体亮点和亮点镜像刚好能被CCD 相机探测到，此时通过 CCD显微成像系统观察到的等离子体亮点和亮点镜像最小，对应激光焦点处的等离子体区域最小，此时通过等离子体亮点确定的焦点位置也最为精准。

（5）最终定位。如图5所示，根据镜面成像原理，当光学材料向等离子体亮点靠近时，亮点镜像会以两倍于材料的平移速率向等离子体亮点靠近，而材料表面则始终位于等离子体亮点和亮点镜像连线的中心位置，直至从CCD显微镜中观察到等离子体亮点和亮点镜像完全重合，即完成光学材料在激光焦点处的定位操作。

3.结 论

设计提出了一种新的激光焦点对焦方法，并构建了激光对焦光学系统。与现有技术相比，该方法的优点主要有以下几个方面。

（1）利用激光对空气电离所发射的等离子体光线作为参照物进行焦点定位，避免了材料刚接触焦点区域边缘即被激光电离而造成的定位误差。

（2）相比利用激光对光学材料的电离效应进行定位的操作方式，激光对空气的电离效应进行定位的方法，排除了因光学材料激光电离特性不同所带来的定位差异性，换言之，本文中所述方法可适用于不同材质光学材料的定位，且能够达到相同的定位精度，一般仅要求光学材料表面平整光滑即可。

（3）通过CCD 显微镜可以从焦点区域的侧面观测到空气电离区域的大小，利用镜面成像原理即可方便地将待测光学材料表面定位在焦点区域的中心位置，操作简便"直观，有利于进一步提高定位精度。

总的来说，本文中的激光焦点对焦方法具有精度高"结构简单"制作方便"适应性强的特点，定位方法不仅操作简便"定位精度高，而且人工因素干预较小"适应范围广，对后续光学材料( 例如光学窗口玻璃"薄膜以及晶体材料等) 的损伤阈值测量及表面高精度加工具有重要意义。