激光损伤光学玻璃的微区透过率研究
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激光微小光斑损伤光学玻璃，具有材料表面的 形貌不均匀变化和内部缺陷引起断裂［9 － 11］，损伤区
基 金 项 目： 国 家“973 ”项 目； 国 家 科 技 攻 关 课 题 项 目 （ No． 2007BA107A00 － 1） 支持资助。
作者简介：谭 勇（ 1975 － ） ，男，在读博士，讲师，主要从事非线 性光学，光与物质相互作用方面的研究。E-mail： laser95111@ yahoo． com． cn
为 T0 （ 这里是光谱相对强度，等价于入射光通量） ；
然后测试损伤后整个视场的透射光谱，记为 TD，那
么 T0 和 TD 在某一波长处的差，就是激光毁伤对这
一波长 λi 的透过率损失，表达式为：
ΔT（ λi） = T0 （ λi） － TD（ λi）
（ 2）
假如进入光纤的（ 光谱） 光通量在整个视场分
第 41 卷 第 12 期 2011 年 12 月
激光与红外 LASER ＆ INFRARED
Vol． 41，No． 12 December，2011
文章编号：1001-5078（ 2011） 12-1351-04
·光电技术与系统·
激光损伤光学玻璃的微区透过率研究
谭 勇，蔡红星，张喜和，金光勇，张
K9 光学玻璃的两个镜面反射损失光能量 8% ，则式
（ 5） 中的 T 减去 8% 就是损伤样品透射前后的透过
率，本文的组合测试透过率就按照这种方式计算，可
激 光 与 红 外 No． 12 2011
谭 勇等 激光损伤光学玻璃的微区透过率研究
1353
收稿日期：2011-06-24
1352
激光与红外
第 41 卷
域小等特征［12 － 14］，利用传统的方法测量其透过率， 未损伤区域远远大于损伤区域，其结果几乎看不出 损伤后的变化，不均匀性和小区域材质的透过率测 量的难度 上 升［15］。 因 此，一 种 全 面 的、准 确 的 透 过 率测量必不可少。本文提出一种激光微小光斑损伤 玻璃的透过率测试新方法，并获得了激光毁伤光学 玻璃的阈值。 2 激光微小光斑损伤 K9 玻璃实验
Abstract： Area of optical glass damaged by laser is only several hundred microns． Its transmittance detection is difficult with common method． A kind of new test and algorithm is reported in this paper． A metallographic microscope and an optical fiber spectrometer are mixed into a test system with lenses． The system is useful to quantitatively analyze the damaged micro-area and morphology． At the same time，the transmittance spectra of the micro-area can be tested before and after damage． These spectra are calculated to gain the transmittance． At last，the damage threshold is obtained by spectrum transmittance． Key words： microscopy； spectrum transmittance； micro-area test； damage threshold； optical glasses
（ a） ＆（ b） the damage threshold 428． 61 mJ / mm2 from morphology， transmittance T = 89． 0% ； （ c） ＆（ d） the pulse energy intensity 1184． 57 mJ / mm2 ，transmittance T = 25． 5%
图 3 光学玻璃的微区损伤形貌和损伤前后透射光谱 （ a） ＆（ b） 形貌损伤阈值 428． 61 mJ / mm2 ，透过率 T = 89． 0%
（ c） ＆（ d） 1184． 57 mJ / mm2 ，透过率 T = 25． 5% Fig． 3 Micro-area morphology and transmittance spectrum of K9 glasses
分方程获得积分球内样品定向半球透过率测量的表 达式［6］。郑玉等人提出了利用单积分球和 CCD 相 机测试光纤器件透过率方案［7］，王红平等人在互相 关原理的基础上提出一种光学系统透过率检测技 术［8］。这些技术或标准都基于以下前提，那就是测 试样品的表面光滑和内部均匀，透过率区域大于或 等于探测区域。
1引言 激光广泛应用于医疗、工业加工和科学研究等
领域，光学玻璃作为激光应用过程中必不可少的元 器件，其抗 激 光 损 伤 程 度 直 接 关 系 着 激 光 的 使 用。 在激光损伤光学玻璃上的研究，主要集中在损伤阈 值、等离子体辐射、损伤形貌和热力效应等方面。而 标志着传输光辐射能的强弱的光学透过率，作为损 伤程度的判据之一，引起了广泛的关注。
以避免测试过程中各个样品间的调试误差。 4 实验结果与分析
光学玻璃受到激光微小光斑作用后，测试其表 面形貌和透射光谱，图 3 是激光脉冲能量密度分别 为 428． 61 mJ / mm2 和 1184． 57 mJ / mm2 时，K9 光学 玻璃的表面形貌和透射光谱。损伤前后的透射光谱 存在着明显的差异，根据第式（ 5） 计算得到透过率， 绘制随脉冲能量密度变化的透过率曲线如图 4 所 示。由透过率决定的损伤阈值为 ～ 370 mJ / mm2 ，略 低于金相显微镜观察的具有明显形貌损伤的阈值 428． 61 mJ / mm2 ，也就是说，在损伤形貌不明显的情 况下，激光已经影响了 K9 玻璃对光束的传输性能。
通常，光学透过率用光谱透过率表征，CIE （ 国 际照明协会） 规定透过率，需用特定色温下的白光 作 为 光 源，测 量 可 见 光 区 域 内 的 光 谱 透 过 率 总 和［1 － 3］。G． A． Zerlaut 和 J． G． Symons 等研究者分别 利用单端口和双端口积分球检测放置在球壁端口处 的样品的 光 学 透 过 率［4 － 5］，Jeffrey Kessel 用 有 限 差
（ 长春理工大学理学院，吉林 长春 130022）
摘 要：激光微小光斑损伤光学玻璃，其损伤区域的线径仅几百微米，用传统方法很难测试其 透过率。本文提出一种微区透过率测试方法和算法，用透镜将金相显微镜和光纤光谱仪耦合 成一套测试设备，该测试设备在定量分析损伤区域大小和形貌的同时，检测此区域损伤前后的 透射光谱曲线，并利用算法计算光谱透过率。最终，根据光谱透过率获得激光损伤光学玻璃的 阈值。 关键词：显微； 光谱透过率； 微区检测； 损伤阈值； 光学玻璃 中图分类号：O432 文献标识码：A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1001-5078． 2011． 12． 013
激光微小光斑损伤 K9 玻璃装置如图 1 所示。 电光调 Q 的 Nd3 + ∶YAG 输出 1． 06 μm 偏振光束，格 兰棱镜 2 对其进行能量调节，分束镜 3 将激光分为 两路，一路为脉冲探测器探测脉冲信号 （ 实验过程 中泵浦电压不变，脉冲能量由格兰棱镜调谐，脉冲宽 度为 11． 2 ns） ，一路为主光路，经 200 mm 焦距的凸 透镜 5 会聚到样品 K9 玻璃（ 样品尺寸为 Ф20 mm × 3 mm） ，并用能量计 7 测试聚焦镜后的脉冲能量。 改变不同的脉冲能量，用 1 － on － 1 方式作用样品， 得到不同能量密度的实验结果。另外，为了观测损 伤形貌的操作方便，激光作用于样品前表面的几何 中心。
参考文献：
［1］ International Commission on Illumination［S］． CIE 130 － 1999，ISBN 9783900734886．
上式按波长积分：
T = ∫［1 － Eloss（ λi） ］dλi × 100%
（ 5）
这样的透过率也适宜于被激光辐照后的照相系
统的透过率评价。当然，有时需要计量损伤样品透
射光谱与入射光谱的透过率变化，即在式（ 2） 中将
玻璃未损伤的透过光谱 T0 代换为未放置样品时的 辐射光谱，式（ 5） 的表述结果同样适用。另外，如果
图 1 激光损伤 K9 玻璃实验装置简图 Fig． 1 experiment device of K9 optical glasses damaged by laser
3 微区透过率测试实验装置、测试和计算方法 金相显微镜主要用来观察金相组织，是专门用
于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微 镜。激光对玻璃的损伤，造成了损伤区域的额外光 反射或散射，金相显微镜不但可以观察损伤区域的 形貌特征，而且利用金相显微镜标尺，直接计算出损 伤区域的大小及其在视场中的比例。金相显微镜视 场的大小，取决于物镜的通光面积、放大倍数及数值 孔径角。另一方面，计算机视频区域大小依靠 CCD 探测器前端光阑大小，比如本文中的光阑大小是金 相显微镜物镜视场的 0． 4 倍。光纤光谱仪利用柔性 光纤收集待测光，其收集光的能力主要由光纤的纤 芯直径和数值孔径角决定。利用一组透镜将金相显 微镜和光纤光谱仪视场耦合，形成如图 2 所示的检 测装置。金相显微镜型号 Nikon Epiphot300，物镜放 大倍数为 20 倍，出口孔径约为 2 mm，数值孔径角是 0． 46； 光纤光谱仪为 ocean optics QE6500，多模光纤
的数值孔径为 0． 22。
图 2 金相显微镜与光纤光谱仪组合测试系统
基 金 项 目： 国 家“973 ”项 目； 国 家 科 技 攻 关 课 题 项 目 （ No． 2007BA107A00 － 1） 支持资助。
作者简介：谭 勇（ 1975 － ） ，男，在读博士，讲师，主要从事非线 性光学，光与物质相互作用方面的研究。E-mail： laser95111@ yahoo． com． cn
为 T0 （ 这里是光谱相对强度，等价于入射光通量） ；
然后测试损伤后整个视场的透射光谱，记为 TD，那
么 T0 和 TD 在某一波长处的差，就是激光毁伤对这
一波长 λi 的透过率损失，表达式为：
ΔT（ λi） = T0 （ λi） － TD（ λi）
（ 2）
假如进入光纤的（ 光谱） 光通量在整个视场分
第 41 卷 第 12 期 2011 年 12 月
激光与红外 LASER ＆ INFRARED
Vol． 41，No． 12 December，2011
文章编号：1001-5078（ 2011） 12-1351-04
·光电技术与系统·
激光损伤光学玻璃的微区透过率研究
谭 勇，蔡红星，张喜和，金光勇，张
K9 光学玻璃的两个镜面反射损失光能量 8% ，则式
（ 5） 中的 T 减去 8% 就是损伤样品透射前后的透过
率，本文的组合测试透过率就按照这种方式计算，可
激 光 与 红 外 No． 12 2011
谭 勇等 激光损伤光学玻璃的微区透过率研究
1353
收稿日期：2011-06-24
1352
激光与红外
第 41 卷
域小等特征［12 － 14］，利用传统的方法测量其透过率， 未损伤区域远远大于损伤区域，其结果几乎看不出 损伤后的变化，不均匀性和小区域材质的透过率测 量的难度 上 升［15］。 因 此，一 种 全 面 的、准 确 的 透 过 率测量必不可少。本文提出一种激光微小光斑损伤 玻璃的透过率测试新方法，并获得了激光毁伤光学 玻璃的阈值。 2 激光微小光斑损伤 K9 玻璃实验
Abstract： Area of optical glass damaged by laser is only several hundred microns． Its transmittance detection is difficult with common method． A kind of new test and algorithm is reported in this paper． A metallographic microscope and an optical fiber spectrometer are mixed into a test system with lenses． The system is useful to quantitatively analyze the damaged micro-area and morphology． At the same time，the transmittance spectra of the micro-area can be tested before and after damage． These spectra are calculated to gain the transmittance． At last，the damage threshold is obtained by spectrum transmittance． Key words： microscopy； spectrum transmittance； micro-area test； damage threshold； optical glasses
（ a） ＆（ b） the damage threshold 428． 61 mJ / mm2 from morphology， transmittance T = 89． 0% ； （ c） ＆（ d） the pulse energy intensity 1184． 57 mJ / mm2 ，transmittance T = 25． 5%
图 3 光学玻璃的微区损伤形貌和损伤前后透射光谱 （ a） ＆（ b） 形貌损伤阈值 428． 61 mJ / mm2 ，透过率 T = 89． 0%
（ c） ＆（ d） 1184． 57 mJ / mm2 ，透过率 T = 25． 5% Fig． 3 Micro-area morphology and transmittance spectrum of K9 glasses
分方程获得积分球内样品定向半球透过率测量的表 达式［6］。郑玉等人提出了利用单积分球和 CCD 相 机测试光纤器件透过率方案［7］，王红平等人在互相 关原理的基础上提出一种光学系统透过率检测技 术［8］。这些技术或标准都基于以下前提，那就是测 试样品的表面光滑和内部均匀，透过率区域大于或 等于探测区域。
1引言 激光广泛应用于医疗、工业加工和科学研究等
领域，光学玻璃作为激光应用过程中必不可少的元 器件，其抗 激 光 损 伤 程 度 直 接 关 系 着 激 光 的 使 用。 在激光损伤光学玻璃上的研究，主要集中在损伤阈 值、等离子体辐射、损伤形貌和热力效应等方面。而 标志着传输光辐射能的强弱的光学透过率，作为损 伤程度的判据之一，引起了广泛的关注。
以避免测试过程中各个样品间的调试误差。 4 实验结果与分析
光学玻璃受到激光微小光斑作用后，测试其表 面形貌和透射光谱，图 3 是激光脉冲能量密度分别 为 428． 61 mJ / mm2 和 1184． 57 mJ / mm2 时，K9 光学 玻璃的表面形貌和透射光谱。损伤前后的透射光谱 存在着明显的差异，根据第式（ 5） 计算得到透过率， 绘制随脉冲能量密度变化的透过率曲线如图 4 所 示。由透过率决定的损伤阈值为 ～ 370 mJ / mm2 ，略 低于金相显微镜观察的具有明显形貌损伤的阈值 428． 61 mJ / mm2 ，也就是说，在损伤形貌不明显的情 况下，激光已经影响了 K9 玻璃对光束的传输性能。
通常，光学透过率用光谱透过率表征，CIE （ 国 际照明协会） 规定透过率，需用特定色温下的白光 作 为 光 源，测 量 可 见 光 区 域 内 的 光 谱 透 过 率 总 和［1 － 3］。G． A． Zerlaut 和 J． G． Symons 等研究者分别 利用单端口和双端口积分球检测放置在球壁端口处 的样品的 光 学 透 过 率［4 － 5］，Jeffrey Kessel 用 有 限 差
（ 长春理工大学理学院，吉林 长春 130022）
摘 要：激光微小光斑损伤光学玻璃，其损伤区域的线径仅几百微米，用传统方法很难测试其 透过率。本文提出一种微区透过率测试方法和算法，用透镜将金相显微镜和光纤光谱仪耦合 成一套测试设备，该测试设备在定量分析损伤区域大小和形貌的同时，检测此区域损伤前后的 透射光谱曲线，并利用算法计算光谱透过率。最终，根据光谱透过率获得激光损伤光学玻璃的 阈值。 关键词：显微； 光谱透过率； 微区检测； 损伤阈值； 光学玻璃 中图分类号：O432 文献标识码：A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1001-5078． 2011． 12． 013
激光微小光斑损伤 K9 玻璃装置如图 1 所示。 电光调 Q 的 Nd3 + ∶YAG 输出 1． 06 μm 偏振光束，格 兰棱镜 2 对其进行能量调节，分束镜 3 将激光分为 两路，一路为脉冲探测器探测脉冲信号 （ 实验过程 中泵浦电压不变，脉冲能量由格兰棱镜调谐，脉冲宽 度为 11． 2 ns） ，一路为主光路，经 200 mm 焦距的凸 透镜 5 会聚到样品 K9 玻璃（ 样品尺寸为 Ф20 mm × 3 mm） ，并用能量计 7 测试聚焦镜后的脉冲能量。 改变不同的脉冲能量，用 1 － on － 1 方式作用样品， 得到不同能量密度的实验结果。另外，为了观测损 伤形貌的操作方便，激光作用于样品前表面的几何 中心。
参考文献：
［1］ International Commission on Illumination［S］． CIE 130 － 1999，ISBN 9783900734886．
上式按波长积分：
T = ∫［1 － Eloss（ λi） ］dλi × 100%
（ 5）
这样的透过率也适宜于被激光辐照后的照相系
统的透过率评价。当然，有时需要计量损伤样品透
射光谱与入射光谱的透过率变化，即在式（ 2） 中将
玻璃未损伤的透过光谱 T0 代换为未放置样品时的 辐射光谱，式（ 5） 的表述结果同样适用。另外，如果
图 1 激光损伤 K9 玻璃实验装置简图 Fig． 1 experiment device of K9 optical glasses damaged by laser
3 微区透过率测试实验装置、测试和计算方法 金相显微镜主要用来观察金相组织，是专门用
于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微 镜。激光对玻璃的损伤，造成了损伤区域的额外光 反射或散射，金相显微镜不但可以观察损伤区域的 形貌特征，而且利用金相显微镜标尺，直接计算出损 伤区域的大小及其在视场中的比例。金相显微镜视 场的大小，取决于物镜的通光面积、放大倍数及数值 孔径角。另一方面，计算机视频区域大小依靠 CCD 探测器前端光阑大小，比如本文中的光阑大小是金 相显微镜物镜视场的 0． 4 倍。光纤光谱仪利用柔性 光纤收集待测光，其收集光的能力主要由光纤的纤 芯直径和数值孔径角决定。利用一组透镜将金相显 微镜和光纤光谱仪视场耦合，形成如图 2 所示的检 测装置。金相显微镜型号 Nikon Epiphot300，物镜放 大倍数为 20 倍，出口孔径约为 2 mm，数值孔径角是 0． 46； 光纤光谱仪为 ocean optics QE6500，多模光纤
的数值孔径为 0． 22。
图 2 金相显微镜与光纤光谱仪组合测试系统
