本發明屬于高功率激光，具體涉及一種激光熱力效應及光束質量測量的一體化測量裝置及其方法，特別適用于受高功率激光器輻照的光學元件。
背景技術：
1、隨著現代光學和激光技術的發展，激光光學元件的性能要求越來越高。在高功率激光束照射下，光學系統中的激光光學元件表面的薄膜和基底材料會吸收部分激光能量并轉化為熱能，導致薄膜溫度升高，元件會因熱效應產生面形畸變，以及熱致折射率梯度的微小變化，共同作用于激光束的波前，影響了強激光系統光束輸出的質量及其光學系統的穩定性。因此，在高功率激光系統的研究與應用中，準確測量光學元件的熱力效應和光束質量，對于評估和改進光學元件的性能至關重要。
2、一些研究者基于熱傳導和熱彈性場理論，通過有限差分和有限元方法仿真計算不同激光參數照射下薄膜元件的溫度場和熱畸變(王天明等高功率激光作用下光學元件非線性熱效應研究，激光技術，2022，vo1.46)，并通過對熱畸變面形的澤尼克分解推算其對光束傳輸質量因子的影響(韓開等高功率激光器腔鏡熱變形對輸出光束質量的影響，強激光與粒子束，2013，vol.4)。然而，由于薄膜態材料的熱力參數和熱致光學參數數據庫并不完備，仿真計算僅能得到解析解，幫助確定定性的規律性結論，而要得到量化的、準確的結果十分困難。因此，為了獲得準確的數據和結論，實驗測試成為確定這些參數的關鍵手段。
3、傳統的測量技術往往采用分離的設備分別測量溫度場、熱畸變和光束質量，這使得難以獲得同一激光輻照條件下的性能規律。溫度場的測量依賴于接觸式溫度傳感器或紅外熱像儀，其中接觸式溫度傳感器操作復雜，對樣品要求較為繁瑣，且精度有限。熱畸變的測量通常采用干涉法實現，光束質量的測量通常采用ccd對二維光斑強度分布進行采集并計算。
4、之前中國科學院上海光學精密機械研究所劉佳等人提出了固體激光器動態熱畸變的干涉測量裝置(申請號:200610029257,公開號:1888839)，該裝置使用干涉法測量固體激光器中增益介質在高功率激光作用下的熱畸變，然而其高功率激光器與干涉測量光路處于同一空間內，未避免激光器運行過程中的熱干擾對干涉測量精度的影響。核工業理化工程研究院劉麗娜等人提出了偏振分束鏡熱畸變的測量裝置及測量方法(申請號:201210466875,公開號:102967445)，提供了一種使用干涉法測量偏振分束鏡熱畸變的裝置和方法并通過隔離熱源和測試環境提升了測試穩定性，但未涵蓋溫度場和光束質量的同步一體化測量，這限制了其在元件和光學系統性能優化方面的應用。
5、現有技術仍存在一定的局限性，難以實現對激光光學元件的熱力效應和光束質量的動態、多參數同步測量。因此，開發一種能夠集溫度場、熱畸變和光束質量測量于一體的綜合測量裝置與方法，對于推動高功率激光技術的發展具有重要意義。
技術實現思路
1、為了克服現有技術的不足，提高測量的精度和實時性，本發明提出了一種新型的集成化測量裝置，該裝置能夠同步測量溫度場、熱畸變和激光光束質量，并且適用于不同激光輻照條件以及透反射多類多尺寸光學元件。
2、本發明的技術方案包括：一種光學元件激光熱力效應及光束質量一體化測量裝置與方法，它由泵浦激光器、實時功率監測模塊(包括分束鏡、光電探測器)、傳能光纖、擴束準直透鏡組、反射鏡(包括第一反射鏡、第二反射鏡)、合束鏡、分束鏡(包括第一分束鏡、第二分束鏡)、50％分束鏡、單色濾光片(包括第一單色濾光片、第二單色濾光片)、縮束準直透鏡組、ccd相機、紅外熱像儀、黑體輻射校準模塊、斐索干涉儀(包括氦氖激光器、ccd相機、計算機)、平面標準鏡、可變光闌，以及吸收池(包括第一吸收池、第二吸收池)組成。
3、泵浦激光器發射的激光為泵浦光源，其受到實時功率監測模塊反饋調控，輸出的穩定激光光束經過傳能光纖傳輸后通過擴束準直透鏡組擴束為一定直徑的光斑，經由第一反射鏡和合束鏡反射以一定入射角度(0～45°)照射到待測透射樣品表面，經樣品表面吸收形成熱場和畸變場。從樣品出射后經50％分束鏡和兩片分束鏡入射到吸收池中被吸收，不對測試光路形成干擾。
4、斐索干涉儀中的氦氖激光為測試光源，其光學性能優異、穩定性高，光強較低，與泵浦激光波長存在幾十納米到百納米的間隔，適合作為測試光源。氦氖激光器發出的激光光束經過可變光闌調整成與泵浦光源尺寸較為接近的光斑大小，再經過第二單色濾光片和合束鏡與泵浦激光器的激光光束在空間上合成為一束，并以相同角度照射到待測透射樣品表面。
5、測試光源照射樣品后透射而出，經過50％分束鏡分為兩路。其中一路經過第一分束鏡透射到后端縮束準直鏡組和單色濾光片進入到ccd相機進行遠場光斑采集，經計算得到激光光束的m2值；另一路經過第二分束鏡透射到后端平面標準鏡后折返回斐索干涉儀形成干涉圖像，經過計算機分析得到熱畸變值。同時，將紅外熱像儀固定在樣品受激光照射一端，經黑體輻射校準模塊標定與校準后，對樣品受照射區域進行熱成像分析，實時監測樣品表面的溫度分布。
6、本發明的測量方法包括以下步驟：搭建測量裝置、進行系統校準、實施同步測量、數據處理與分析。
7、i)搭建測量裝置：按照測量裝置圖安裝各元器件，并調整位置關系，使得泵浦激光器發出的激光耦合到能量光纖，再經擴束準直整形鏡片組、反射鏡和合束鏡反射以一定角度照射到待測樣品表面中心位置；同時，使斐索干涉儀發出的測試光經可變光闌、單色濾色片和合束鏡照射到樣品受激光照射區域，并可通過50％分束鏡、分束鏡和平面標準鏡與前序光路形成回路，到達干涉儀探測器。
8、ii)進行測試條件調整與確認：首先對泵浦激光器輸出功率進行標定，使用實時功率監測模塊測試光束功率，標定樣品需要的測試功率對應的激光器可調參數，如電流等，便于后續調節，標定后將泵浦激光器輸出激光耦合到光纖中擴束準直；接著對激光整形合束傳輸模塊進行光路確認，對整形模塊的校準方式為使用軟邊光闌和高度尺確認遠場和近場光斑大小和高度一致，對合束模塊的校準方式為使用高度尺確認遠場和近場的光斑合束到同一位置，另外保證每一塊鏡子安裝時均使激光平直傳輸，尤其需確認待測樣品放置位置的合束情況；然后使用黑體輻射校準模塊對熱像儀進行原位輻射率標定與溫度場測量校準，消除環境輻射干擾；最后通過調整圖像對比度、光圈、焦距、曝光時間等方法使干涉成像效果、ccd光斑成像效果和熱像儀成像效果達到最優。
9、iii)無強光照射條件下空白狀態測量：將泵浦激光器調節至弱光準備狀態，在光纖整形鏡片組前臨時放置擋光板，啟動斐索干涉儀，將待測樣品放置到光路中樣品測試處，使氦氖激光光束照射到待測樣品，并按照光路傳輸形成回路，斐索干涉儀記錄待測樣品僅受氦氖激光照射過程中的干涉條紋圖樣，計算機對圖樣進行處理得到靜態面形，同時ccd捕捉并計算無強光照射時氦氖激光通過待測樣品在后在遠場的光束質量，熱像儀實時監測無強光照射時的待測樣品表面溫度場分布作為本底。
10、iv)實施同步測量：將擋光板取走，啟動泵浦激光器至測試狀態，并同步開啟相關測量模塊進行實際測量。在此步驟中，測試到的溫度場、面形和光束質量均為在高功率泵浦激光照射下的數值，將其與前序中的測試結果進行對比處理，即可得到由泵浦激光引起的溫度變化、熱畸變和光束質量劣化程度。
11、本發明提出的一體化測量裝置和方法具有以下優點：測量實時性好，集成度高，靈活度高，能夠同步實現在非接觸條件下對激光照射下的光學薄膜元件溫度場、熱畸變和遠場光束能量分布的瞬態和穩態的無損測量，適用于連續、單脈沖或重復脈沖激光照射的情況，可靈活實現對透反射多類多尺寸光學元件的激光熱力效應和光束質量的全面評估，可為激光器件的性能優化和激光系統的穩定性提升提供重要的數據支持。此外，本發明的裝置和方法還具有高度的適應性和靈活性，可以根據不同的研究和應用需求調整測量參數，滿足不同類型激光器和光學元件的測量要求。本發明的裝置和方法的測量精度可達到溫度測量誤差≤±0.2℃，熱形變測量誤差≤±10nm。