摘 要

  随着各国激光技术的不断发展，高能激光装备广泛应用于国防、通讯、加工等领域。光学元件的抗激光损伤性能是制约大型高能激光系统及装备发展的关键因素之一。如何实时高效地评估光学元件损伤性能已引起学术界和工业界的高度关注。基于散射探测法的损伤判别技术利用散射信号的变化规律可以在线实时精确判断光学元件的损伤时刻、精确得知光学元件的损伤阈值。因此，基于散射探测法的损伤判别技术具有重要的研究意义。本论文基于国家重大工程任务需求开展基于散射探测法的损伤判别技术研究。

  首先详细介绍了散射探测的基本理论和相关技术，包括：光散射理论、微弱信号检测理论、光束整形理论以及卡尔曼滤波方法。以金靶材为例，利用COMSOL软件模拟了激光烧蚀现象，首次针对波长632.8nm的均匀探测光束利用光线追迹法对散射光场分布的影响进行了分析，并以探测面收集到的光线数目与总光线数目之比定义散射光的变化。分别对入射角0～70°变化的直径0.5mm的准直探测光束、光束直径0.2mm～0.6mm变化的的入射角45°的准直探测光束、发散角0.056rad-0.166rad变化的直径0.5mm、入射角45°的聚焦/发散探测光束辐照到约0.4mm的损伤处的散射光场进行分析。得到了应用于散射探测的最佳参数，即应采取大于损伤尺寸的聚焦或准直探测光束进行测试，此时散射光场具有较为一致的规律，即沿反射光方向对称分布，且在反射光方向存在最大值，偏离反射光方向左右大于15°时，散射信号极为微弱。且当光束尺寸约为损伤尺寸2倍左右时，存在最大散射光强，便于进行散射探测。

  基于理论分析设计并搭建了散射探测装置，并从探测光源、探测器、噪声抑制、损伤形貌、入射角度和探测角度对散射光的影响五个方面进行了分析。最终选用波长632.8nm、功率0.4mW、直径0.8mm的连续He-Ne激光作为探测光源，探测光束经斩波器（设定频率80Hz）、扩束装置（焦距为-108.68mm和500mm的透镜组）以及聚焦镜（焦距为500mm）后以45°的入射角辐照到样品上，分别在反射光方向和偏离反射光10°方向利用光电探测器收集散射光信号，最后通过锁相放大器（设定时间常数100ms）对散射信号进行放大、滤波处理，可以实现0.681mm～5.544mm探测光斑的调节，实现了nW级别损伤散射信号同步探测。

  最后，基于自主研制的双波长1064nm/532nm、重频1～10Hz可调、脉宽23.37ps、作用光斑直径464μm（1/e2）、探测光斑直径800μm（1/e2）、峰值功率密度289MW/cm2～289GW/cm2＠1064nm、60.1MW/cm2-63.9GW/cm2＠532nm的自动损伤阈值测试装置对金属膜、介质膜、晶体以及熔石英4种典型材料进行损伤测试，通过测试反射光方向及偏离反射光10°方向上散射光强的变化特点研究材料损伤时的动态发展过程。单发脉冲辐照实验中，当作用激光能量密度分别为0.07J/cm2、0.12J/cm2、0.40J/cm2、0.37J/cm2时，镀金反射镜、介质膜反射镜、Nd:YVO4晶体以及熔石英在显微镜下分别观察到400μm、265μm、263μm、362m的损伤，且散射信号发生明显变化。此外在作用激光能量密度分别为0.06J/cm2、0.1J/cm2、0.37J/cm2、0.37J/cm2时对4种材料进行了多脉冲测试。由于损伤无规则变化导致散射信号并非总是与作用激光能量或辐照脉冲数呈线性关系，但是在损伤初始发生时刻，散射信号存在陡增/陡降，这一过程可以认为近似线性变化，因此提出将数据突变点作为损伤判别依据。同时首次将自适应卡尔曼滤波算法用于散射自动探测损伤点，开发了基于MATLAB的散射信号分析处理算法，实现了实时响应时间ms级在线激光损伤快速判定，此方法判别速度优于其它在线损伤判别方法。

  本文的研究结果对于在线快速判别激光损伤以及确定光学元件的损伤阈值具有重要意义，可用于远距离损伤实时检测。

关键词：散射探测，光学元件，损伤阈值，动态检测