一种微氧含量惰性气体气氛下的激光损伤测试装置及方法

本发明涉及光学元件在惰性气体气氛环境下的激光损伤特性测试，尤其是涉及一种微氧含量惰性气体气氛下的激光损伤测试装置及方法。

背景技术：

1、光学元件是光学系统中最基本的构成单元，在激光加工、定向能武器以及极紫外光刻系统等领域有着广泛的应用。在各类大型强激光装置中往往存在有数以万计的各类透射、反射、分光、整形光学元件，系统运行中任意光学元件的损坏都可能导致整个系统的失效，产生破坏性后果。因此，激光损伤阈值成为量化参数成为各类强激光装置与系统用光学元件最为核心的检测指标。一方面，损伤阈值表征了光学元件能够承受激光能量或功率的最大极限，是光学元件研制和工艺攻关的“眼睛”，直接指导了加工制备和工艺优化的方向；另一方面，该指标是最终决定光学元件及系统是否满足强激光环境应用、能够正式列装上线的首要条件。

2、一直以来，随着高功率光学系统在真空环境和惰性气体环境等特殊环境下的广泛应用，光学元件在这些特殊环境下的损伤特性的测试技术亟待发展。以极紫外光刻系统为例，区别于可见光波段及近红外波段激光，紫外波段激光，尤其是200nm以下波段的紫外光在常规大气环境下存在严重的吸收效应，会导致激光能量急剧衰减、传输光斑相位畸变等一系列问题，因此紫外波段的光学元件通常工作在在高真空、惰性气体吹扫、惰性气体包覆等特殊环境下。鉴于此类光学元件损伤特性与其工作环境的强相关性，紫外波段激光损伤阈值测量技术的研究需要基于这些特殊环境展开。目前比较常见的紫外波段测试装置大多基于高真空环境运行，通常在真空腔内放入一个样品，用真空泵抽数小时的真空后才可以进行实验，且一次测试之后需要将腔体打开破坏真空环境后重复抽真空才可进行下一次测试，存在效率低下、成本高昂的问题。

3、cn201710011135.1公开了一种真空环境下光学元件损伤阈值的测量装置和测量方法。采用等效光路法实现在真空环境中对光斑面积的准确测量和对测量过程中的光斑质量进行实时监测，确保对光学元件损伤阈值的准确测量。该装置可以在一次真空环境中实现对4片透、反射元件和衍射元件样品采用1-on-1、s-on-1、r-on-1和光栅扫描的方式进行损伤阈值测量，并能够对测试环境中的残余气体进行分析。但是换样必须破坏整体真空，大批次测试效率受限。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微氧含量惰性气体气氛下的激光损伤测试装置及方法，测试效率提升，解决低效问题；适配短波长激光测试的特殊环境需求，测试结果更准确；测试功能丰富，兼容性强；腔室压强稳定性好，测试重复性高；运维成本低，操作便捷。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种微氧含量惰性气体气氛下的激光损伤测试装置，包括光路腔室、样品腔室、准分子激光器和上位工控机；所述光路腔室与所述样品腔室通过具有气密性的窗口法兰分隔，所述光路腔室与所述样品腔室内部气氛环境相互独立、互不串扰；

4、所述光路腔室内设有腔内功能性光路模块，腔内功能性光路模块朝向所述准分子激光器的一侧设有激光入射窗口法兰，所述激光入射窗口法兰和所述窗口法兰均内置增透光学元件，腔内功能性光路模块具备光束整形、能量调控及激光参数实时监测功能，所述腔内功能性光路模块内置的探测器将监测数据通过气密性接口传输至所述上位工控机；

5、所述样品腔室内设有可夹持多片待测样品的电机组件和样品损伤探测装置；所述光路腔室独立配置有光路腔室氮气输入电磁阀、光路腔室氧含量传感器、光路腔室压缩空气输入电磁阀、光路腔室排气电磁阀和光路腔室抽真空电磁阀；所述样品腔室配置有样品腔室氮气输入电磁阀、样品腔室氧含量传感器、样品腔室压缩空气输入电磁阀、样品腔室排气电磁阀和样品腔室抽真空电磁阀；所述光路腔室抽真空电磁阀和样品腔室抽真空电磁阀均与微型真空泵连通；所述上位工控机与所有电磁阀、氧含量传感器、电机组件、样品损伤探测装置及准分子激光器通讯连接。

6、进一步的，所述电机组件包括高精度三维步进电机和高精度旋转台，所述高精度三维步进电机用于带动样品在垂直于样品法线方向的平面内移动以实现激光辐照点位调控，所述高精度旋转台用于调节激光入射角度，所述电机组件可切换面损伤测试模式与体损伤测试模式。

7、进一步的，所述光路腔室、样品腔室和准分子激光器放置于同一标准光学平台上，保证激光传输光路稳定性。

8、进一步的，所述样品损伤探测装置为配合长焦显微镜的高速相机，用于实时监测样品表面状态以判定损伤产生与否。

9、进一步的，所述光路腔室和样品腔室均支持两种气体排出模式：模式一为开启对应压缩空气输入电磁阀和排气电磁阀，通过洁净压缩空气置换腔内气体；模式二为开启对应抽真空电磁阀并启动微型真空泵，通过抽气排出腔内惰性气体。两种模式可同步运行以提升排气效率。

10、本发明还提供一种微氧含量惰性气体气氛下的激光损伤测量方法，包括以下步骤：

11、s1：开启光路腔室氮气输入电磁阀和光路腔室排气电磁阀，对光路腔室进行快速气体置换；

12、s2：通过光路腔室氧含量传感器实时监测光路腔室内氧含量，当氧含量达标时关闭光路腔室氮气输入电磁阀和光路腔室排气电磁阀，维持光路腔室内微氧含量惰性气体环境；

13、s3：打开样品腔室腔门，将多片待测样品夹持于电机组件的样品架上，调节样品架入射角度及激光辐照位置，匹配测试模式后关闭样品腔室腔门；

14、s4：启动准分子激光器，通过电机组件控制样品移动，利用样品损伤探测装置实时监测损伤情况，执行1-on-1、r-on-1、s-on-1或光栅扫描测试；

15、s5：测试完成后，选择或组合两种气体排出模式对样品腔室进行排气，直至样品腔室氧含量恢复至常规大气水平，开启样品腔室腔门取出样品，若存在未测样品则返回步骤s3，否则执行下一步；

16、s6：采用与步骤s5相同的排气模式对光路腔室进行排气，直至光路腔室氧含量恢复至常规大气水平，开启样品腔室腔门进行光路维护；

17、s7：设备复位至待机状态。

18、进一步的，步骤s5中，所述两种气体排出模式具体包括：模式一为开启样品腔室压缩空气输入电磁阀和样品腔室排气电磁阀，通过洁净压缩空气置换气体；模式二为开启样品腔室抽真空电磁阀并启动微型真空泵，通过抽气排出惰性气体；两种模式可同步开启以提升排气效率。

19、进一步的，步骤s6中，所述两种气体排出模式具体包括：模式一为开启光路腔室压缩空气输入电磁阀和光路腔室排气电磁阀，通过洁净压缩空气置换气体；模式二为开启光路腔室抽真空电磁阀并启动微型真空泵，通过抽气排出惰性气体；两种模式可同步开启以提升排气效率。

20、进一步的，步骤s3中，通过调节电机组件的旋转台实现激光入射角度的精确调控，通过三维步进电机实现同一平面内扫描辐照，完成面损伤测试与体损伤测试的快速切换。

21、进一步的，大批次样品测试过程中，光路腔室仅需执行一次步骤s1-s2的气体置换，更换样品时仅对样品腔室执行步骤s3-s5的充排气操作。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、（1）测试效率提升，解决低效问题。传统紫外激光损伤测试装置多为单一真空腔，每次换样都需要破坏真空、重新抽数小时真空，大批次测试效率极低。本方案的双腔室独立：光路腔室和样品腔室通过气密性窗口法兰隔离，气氛互不串扰。大批次测试时，光路腔室仅需一次惰性气体置换即可长期维持微氧环境，更换样品时仅需要对样品腔室单独充放气，省去了光路腔室反复置换的时间；同时样品腔室支持压缩空气置换、真空泵抽气两种排气模式同步运行，氧含量恢复速度远快于单一排气方式，整体测试效率较传统真空腔方案提升。

24、（2）适配短波长激光测试的特殊环境需求，测试结果更准确。193nm等深紫外波段激光在常规大气中会被严重吸收，导致能量衰减、光斑相位畸变，直接影响损伤阈值的测试准确性。本方案通过双腔室独立配置的氧含量传感器、氮气输入电磁阀，可精准控制腔内氧含量，稳定维持微氧惰性气体环境，避免大气对深紫外激光传输的干扰；同时光路腔室和样品腔室独立控氧，既保证了激光传输路径的低氧环境，也可根据测试需求灵活调整样品腔室的氧浓度，适配不同场景的测试要求。

25、（3）测试功能丰富，兼容性强。样品腔室的电机组件集成高精度三维步进电机+旋转台：三维移动可实现激光辐照点位的精确调控，支持同一平面内的扫描辐照；旋转台可精准调节激光入射角度，实现面损伤测试、体损伤测试的快速切换。同时方法层面原生支持1-on-1、r-on-1、s-on-1、光栅扫描等主流激光损伤测试方法，可覆盖不同类型光学元件的测试需求。

26、（4）腔室压强稳定性好，测试重复性高。传统单一腔室方案换样时整体气压波动大，容易影响光路准直状态和激光参数稳定性。本方案换样时仅样品腔室进行充排气操作，光路腔室始终维持稳定的微氧正压环境，光路参数不受换样过程影响，保障了多批次测试的结果一致性；同时充放气过程可通过上位机精准控制，避免气压骤变对光学元件、传感器的冲击。

27、（5）运维成本低，操作便捷。测试完成后，可通过压缩空气置换、真空泵抽气的组合模式快速将腔室氧含量恢复至常规大气水平，无需长时间等待即可开腔维护光路、取放样品；双腔室独立运维，光路维护时无需扰动样品腔室的样品架结构，降低了设备的停机维护时间，也减少了频繁抽真空带来的能耗成本。