[发明专利]激光焦点定位系统及将材料定位于激光焦点处的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对光学材料表面激光损伤阈值测量（或表面激光加工过程）中材料表面定位的装置和方法，尤其涉及一种激光焦点的定位系统及其定位方法。

背景技术

激光经过会聚透镜系统在焦点位置形成最小的光斑尺寸，并达到最大的功率密度，利用这一特点可以对焦点进行定位。在光学窗口玻璃、薄膜以及晶体等光学材料的表面激光损伤阈值测量中，将材料表面定位在焦点位置可以降低损伤难度。并且，在激光精确加工操作中，将材料表面准确定位在焦点位置能够实现最高的加工精度。

强激光作用下，光学窗口玻璃、薄膜衬底以及晶体等材料会产生非线性效应，如自聚焦效应。该效应会使入射激光在材料内部形成会聚作用，加速材料损伤，从而影响表面损伤阈值的测量。采用大数值孔径、短焦距系统对激光束进行聚焦，可形成更小的聚焦光斑尺寸以及更大的会聚角度，保证只有焦点位置的激光功率密度能够达到材料的损伤阈值，而焦点前后，激光束迅速发散，强度迅速下降，可有效抑制非线性光学效应对阈值测量的影响。同时，更小的聚焦光斑可以使激光加工的精度更高。

当入射激光为平面波时，经过透镜会聚在焦点处形成的艾里斑直径为：其中，λ为激光波长，f为聚焦系统焦距，D为聚焦系统孔径。可见，在理论情况下，聚焦光斑大小与会聚系统焦距成正比，焦距越小，得到的聚焦光斑尺寸也越小。实际情况下，激光器输出激光束不是理想平面波，因此聚焦光斑要大于理论值。聚焦光斑大小实际由光束质量和会聚系统共同决定，从而焦点处的激光功率密度也由两者与激光器输出功率共同决定。

当焦点处的激光功率密度达到一定水平时能够使材料发生电离，并发射出肉眼可观察的等离子体光线，该效应已经被应用于手动对焦操作。执行者在操作中边移动材料位置边观察光斑区域，当出现等离子光线如白光时即停止移动，完成材料表面在焦点的定位操作。该方法会因执行者的不同而出现不同的执行效果。

进一步，利用光电传感器探测等离子体光线，能够实现焦点位置的自动定位，例如，日本专利文献特开平6-7980号公报。在利用激光作用待测或待加工材料表面形成的等离子体光线对材料进行焦点定位时，首先会因激光焦点区域本身存在一定空间尺度而带来定位误差，无法确定材料表面是否定位在焦点区域中心位置。尤其在短焦距透镜聚焦条件下，由于激光束在焦点前后快速发散，该定位误差将使实际作用在材料表面的激光光斑尺寸大于焦点光斑尺寸，从而影响表面损伤阈值的测量结果以及降低加工精度。并且，由于相同的激光强度在不同材料表面激发出的等离子体光线强度不同，因此，定位的效果会因材料不同而出现差异。另外，焦点区域的大小以及材料表面到焦点的距离无法直接跟踪观测，定位误差难以控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种精度高、结构简单、制作方便、适应性强的激光焦点定位系统。还提供一种操作简便、定位精度高、人工因素干预较小、适应范围广的将待测或待加工光学材料表面定位于激光焦点处的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种激光焦点定位系统，包括激光器、会聚透镜和材料平移装置；所述激光器输出的激光束垂直入射到会聚透镜上，经会聚透镜聚焦后再入射到材料平移装置上装夹的将待测或待加工光学材料表面，所述激光束经会聚透镜聚焦后使激光焦点处的空气发生电离产生一等等离子体亮点，该等离子体亮点通过待测或待加工光学材料表面形成一亮点镜像，所述激光焦点定位系统还包括一套可同时采集等离子体亮点和亮点镜像的图像并进行图像输出的CCD显微成像系统。

上述的激光焦点定位系统可以适用于各种焦距的会聚透镜，但是在利用短焦距透镜进行紧聚焦情况下，因为焦点光斑面积更小，更容易提升激光功率密度从而形成空气电离；此外，焦点前后激光束发散程度更大，对定位误差的要求更严格，使用本发明的激光焦点定位系统会取得更好的效果，因此，所述的会聚透镜优选为短焦距聚焦透镜，其焦距控制范围优选为1mm到30mm。

上述的激光焦点定位系统中，所述激光器输出的激光束的光束质量M²因子控制范围优选为1～2，所述激光束经会聚透镜聚焦后在焦点处的激光功率密度可达到TW/m²量级。

上述的激光焦点定位系统中，所述CCD显微成像系统优选包括CCD相机、显微镜头、相机平移装置、数据线和图像输出设备，所述CCD相机安装在相机平移装置上，所述CCD相机通过数据线与所述图像输出设备相连接，显微镜头安装于CCD相机上。所述显微成像系统中显微镜头的放大倍率优选为1到40倍。