摘要
在高功率激光系统中，大能量激光束的自聚焦效应常常会导致光学元件发生损伤，而且所产生的损伤点会对透过光束产生新的调制，在下游光束中产生更大的光束不均匀性，从而导致更多的损伤产生。因此，高功率激光系统中的元件损伤往往是级联发生，可以明显降低激光系统的综合性能。对已经存在的元件缺陷和己发生的损伤进行及时发现和评估，可以帮助显著减小损伤带来的威胁，对提高系统性能和维持装置的正常运行有重要意义。同时，对光学元件的激光损伤进行精准检测，还可以帮助更好地对伤机理进行理解，并为材料和加工技术的改进提供数据支撑。 激光损伤点的检测技术可以大致分为两大类:破坏性检测和非破坏性检测。其中，破坏性检测包含化学蚀刻、截面显微、角度抛光、磁流变抛光等，损伤性检测一般能提供精缺直观的检测结果，但其对光学元件的破坏是不可逆转的，一般很少实际用于高功率激光领域。非破坏性检测包含全内反射、哈特曼波前传感、干涉仪检测等，非损伤性检测的优点在于不会对被检测元件造成任何伤害，检测后的元件可以继续使用，因此其在高功率激光领域应用广泛。但现有的这些非损伤检测技术一般只能实现定性检测，例如，全内反射法可以给出损伤点的大体位置，不能给出损伤的精确大小和形状，波前传感和干涉测量等只能给出损伤的二维投影信息，不能对其三维分布进行精确描述。为了能够实现对激光损伤的三维快速高精度的光学检测，本论文发展了高精度的三维成像新方法，实现了对元件损伤和残余应力分布进行精确三维量化检测，具体研究工作可以大致分为如下几个方面。 (1)提出了基于K空间变换的三维成像新方法，将频域空间的投影变换结合Lightsheet照明实现了快速轴向成像。用Light sheet照明样品并利用全息记录透射光场复振幅，然后将复振幅在K空间重新排列后进行反傅里叶变换，直接得到样品在沿光轴平面上的内部结构，最后通过对样品进行一维扫描实现快速精准三维成像，由于用一维扫描实现了三维成像，其成像速度比其它扫描成像方法大大提高。理论分析、数值模拟和实际实验证明了该技术的优越性。 (2)发展出了光学材料残余应力测量的新理论和新方法。激光损伤仅仅发生在元件表面下百微米深度范围内，其各层内的主应力具有径向和环向两个固定方向，样品内相邻两层界面处的反射光强度正比于这两层的应力双折射所导致的折射率差，在偏振正交暗场条件下，沿着深度方向上反射光的强度正比于各层的应力双折射轴向折射率和环向折射率之差的微分。因此，只要测量出损伤点周围反射光的沿着深度方向上的强度变化，就可确定激光损伤导致的三维应力分布特性。基于此理论，将传统光弹性测量技术和K空间成像及偏振OCT技术相结合，发展出了基于暗场K空间变换光弹性检测和暗场偏振频谱OCT光弹性检测两种应力场三维测量技术，并通过数值分析和实验验证的对比研究证明了这两种技术的高度可行性。 (3)发展出了频域光学相干层析(SD-OCT)的三维空间位技术。用SD-OCT测量出物体运动过程中不同位置处的样品三维形貌，然后对三维形貌进行三维数字相关系数计算，相关系数峰的位置差代表了两次成像之间物体移动的距。同时，物体在每个位置处的姿态，也可以用物体平滑部分的形貌的傅里叶变换峰的位置来监测。因此，此技术实现了用一套光学系统同时测量出样品的三维空间位置和三维姿态。数值分析和实际试验研究发现此方法可以实现高于系统光学分辨率的位置定位精度，模拟实验显示此方法有希望用于高功率激光的靶定位系统，实现对现有定位装置的光学结构和操作复杂性进行简化。
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