一种液态防护膜激光损伤的自驱动实时探测装置及其制备方法、应用方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种液态防护膜激光诱导损伤的识别的实时探测方法。

背景技术

目前，大功率激光器的快速发展和广泛应用，也促进了激光损伤防护研究领域的兴起。针对高能量的激光辐照，采用激光防护薄膜对器件保护是一种行之有效的方法。激光防护膜种类繁多，通过镀制一层具有高激光损伤阈值的保护膜，以及通过采用相变材料进行激光能量的吸收进而保护器件不被损伤。例如名称为：一种液态自修复激光防护膜，公开号为CN115032725A的中国发明专利申请，其中的液态介质可在激光损坏后自我修复，只要基底不被损坏，就可以无限次使用并且实现激光防护效果。

对于激光防护膜而言，判断其是否发生损伤甚至失效，至关重要。通常的薄膜激光损伤检测是采用等离子体闪光法或将破坏后的样品置于光学显微镜下，观察其是否发生破坏。上述方法对于常规种类的激光防护膜来讲，尽管过程繁琐，但是基本能够保证有效性。但是，对于液态自修复激光防护膜而言却往往失去效果，无法得到有效结论。这是由于液态自修复防护膜发生等离子体闪光并不代表其真正的发生了激光破坏，而更多是源于内部的液态介质被击穿，随后迅速通过自身修复仍可以获得同等的防护效果，因此等离子体闪光无法证明是否真正被损坏。此外，如果置于显微镜下判断，则需要拆开外面的两块基片，去除液态介质从而破坏了防护膜结构，这样无论其本身是否发生事实性破坏，都将因为拆卸损坏而丧失了功能性和防护效用。因此，如果能够找到一种合适的方法，对于该薄膜进行准确有效并且实时的损伤判定，将具有非常大的经济效益与应用价值。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种液态防护膜激光损伤的自驱动实时探测装置及方法，基于摩擦纳米发电机原理，在不破坏液态保护膜的结构，能够做到无损伤探测的前提之下，解决了液态防护膜是否被激光损伤无法精确判定的问题。

本发明的技术方案为：所述探测装置包括两片基底1，容置于这两片基底1之间的支撑层2、电极3、摩擦电材料5、密封粘结层6，以及电压测量装置；

所述支撑层2、电极3、摩擦电材料5的中间均留有可供激光透过的孔，孔的大小应不阻碍激光通过，一般为圆形或方形，直径或边长为0.5～5cm，所述密封粘结层6设在所述孔中，所述液态防护膜的液态介质填充在密封粘结层6内侧，密封粘结层将支撑层、电极和摩擦电材料粘结到与支撑层接触的基底上，并防止液态介质从中间孔内进入上述各种材料的间隙，两片基底之间靠近外侧的边缘处通过粘结剂进行封装；

所述电极3具有两片，两片电极3之间留有间隙，从而使得两片电极3互不连通，在电极3和摩擦电材料5之间有两根导线接出，两根导线分别连接两片电极3，并且同时连接电压测量装置。

进一步的，所述基底1为BK7玻璃、石英或氧化硅中任一种。

进一步的，所述支撑层2由柔性材质制成，包括聚酰亚胺、聚氨酯、硅胶和橡胶中任一种。

进一步的，所述电极3为铜、钛、铝、银、金、铂、铁、锰、铝、铬、镍或上述材料以任意比例组成的混合物所制成的箔状或片状物。

进一步的，所述摩擦电材料5为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二酯、尼龙、腈纶和橡胶中任一种。

进一步的，所述密封粘结层6为氰基丙烯酸乙酯、丁苯胶、聚氨酯、硝酸纤维素、聚醋酸乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯中任一种。

进一步的，所述液体介质为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、聚乙二醇、硅油、单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甘油、聚乙烯基吡咯烷酮、二甲基硅油、甲基氢硅氧烷聚合物、聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物，或上述物质以任意比例的混合物；或含有粒径为0.5nm～100um，质量百分数为0.01～60％的氧化硅、氧化锆、氧化钽、氧化铪、氧化铌、氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化锡颗粒的胶体或溶液。

进一步的，所述电压测量装置为万用表、电压表或静电计中任一种。

按照以下步骤制备探测装置：

S1、取两片基底1浸泡在清洁液中，超声清洗20～50min，然后用去离子水冲洗，用高纯度氮气吹干；

S2、在第一片基底1上自下而上附着支撑层2、电极3和摩擦电材料5，在电极3和摩擦电材料5之间接出导线4，导线4连接电压测量装置；其中支撑层2、电极3和摩擦电材料5中间均有可供激光透过的孔；

S3、采用密封粘结层将支撑层2、电极3和摩擦电材料5粘结到与支撑层2接触的第一片基底1上，并在透过激光的孔中置入密封粘结层6；

S4、将液态介质注入上述附着有支撑层2、电极3和摩擦电材料5和密封粘结层6的基底1与另一片未附着任何物质的基底1之间，使用常规的粘结剂将两片基底之间靠近外侧的边缘处进行封装，确保液体介质与外界环境完全隔离。

进一步的，步骤S1中清洗液为乙醇、石油醚或丙酮中任一种，或所述的上述溶液其中两种按任意比例调配的混合液。

关于应用方法：

首先按照以下步骤对液态防护膜的激光损伤进行探测：采用单模激光对该液态防护膜进行激光辐照，使得光束贯穿两片基底之间填充的液态介质，设置激光的波长、重复频率、脉冲宽度、辐照间隔时间，然后依据ISO 21254标准进行测试；当电压测量装置采集的电压信号突变时，则判定为发生激光损伤，记录此时脉冲电压信号的突变值；

然后将探测装置整体作为液态防护膜实际投入使用，一旦电压测量装置采集到突变值，则判定液态防护膜的激光损伤，实现了对液态防护膜的无损、实时的损伤探测。

本发明通过采用激光、基底、液态介质和摩擦电材料构成了一套独特的摩擦纳米发电机系统，在激光破坏基底的瞬间，产生的微动能驱动了液态介质的剧烈运动，这种液态介质运动与摩擦电材料接触就会出现电压信号的突变，从而精确地对液态防护膜是否被破坏进行判定；同时，由于上述摩擦电材料安装在液态防护膜的内部，既不影响该防护膜对高能激光的防护效果，又可以在损伤探测时不破坏防护膜的结构，这就减少了因为常规测试无法精确判断防护膜是否损伤，而不得不将即使未发生损伤的防护膜也拆卸掉进行检测，防止了不必要的损耗与浪费。

综上所述，本发明具有以下的优点：

一、本发明提供一种精确的基于电信号检测液态防护膜是否被激光损伤的方法，解决了常规方法无法准确评价液态防护膜是否被激光损伤的难题。

二、本发明同时实现了液态防护膜激光损伤的无损探测和实时探测，通过在该防护膜内部构建的独特的摩擦纳米发电机系统，不但可以精确判断损伤是否发生，还能在不破坏器件结构的情况下实时地获得损伤发生的具体时间。

三、本发明结合了摩擦纳米发电机的原理，检测过程中电压脉冲信号波动的能量主要源于激光辐照能，有利于节省探测所需要的能量损耗，在一定程度上实现了对激光损伤的无源和自驱动探测。

附图说明

图1为本发明实施例中结构示意图；

其中，1为基底，2为支撑层，3为电极，4为导线，5为摩擦电材料，6为密封粘结层，7为液态介质，8为粘结剂；

图2为内部的双电极摩擦纳米发电机分层结构示意图；

图3为内部的双电极摩擦纳米发电机分层结构的立体图。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

实施例1：

将BK7玻璃基底浸泡在乙醇中，超声清洗35min，然后用去离子水冲洗干净，最后用高纯氮气吹干。在第一片基底上自下而上附着聚酰亚胺，铜箔和聚四氟乙烯。铜箔由互不连通的两片构成双电极，在这两片铜箔上各连出一根导线，从铜箔和聚四氟乙烯之间分别接到电压表。聚酰亚胺，铜箔和聚四氟乙烯的中心均留有边长为2mm的正方形孔，使用氰基丙烯酸乙酯从开孔处将聚酰亚胺，铜箔和聚四氟乙烯粘结到该基底上。将含有质量百分数为0.5％的8nm氧化硅的水溶液注入到第一片基底和第二片基底之间，注意第一片基底上的聚四氟乙烯与氧化硅水溶液接触，使用常规的粘结剂将两片基底之间靠近外侧的边缘处进行封装，确保内部溶液与外界环境完全隔离。

液态防护膜的激光损伤阈值测试在自建的激光损伤阈值测试平台上进行，依据ISO 21254标准，采用波长为1064nm的Nd:YAG电光调Q单模激光对该液态防护膜进行激光辐照，光束从样品的薄膜一侧垂直入射，重复频率1Hz，脉冲宽度12ns，样品表面光斑尺寸为0.47mm。实验中用电压表判断液态防护膜的实际损伤情况，根据电压信号变化情况判定液态防护膜的激光损伤。测试结果表明，该液态防护膜在1064nm，12ns激光下实际损伤发生时，出现的脉冲电压信号的突变值为32mV。

实施例2：

将石英基底浸泡在去离子水中，超声清洗32min，然后用去离子水冲洗干净，最后用高纯氮气吹干。在第一片基底上自下而上附着聚氨酯，钛箔和全氟乙烯丙烯共聚物。钛箔上连出一根导线，从其和聚四氟乙烯之间接到电压表，电压表的另一端接地。聚氨酯，钛箔和全氟乙烯丙烯共聚物的中心均留有边长为3mm的正方形孔，使用丙烯酸树脂从开孔处将聚氨酯，钛箔和全氟乙烯丙烯共聚物粘结到该基底上。将质量百分数为50％的聚乙二醇的乙醇溶液注入到第一片基底和第二片基底之间，注意第一片基底上的全氟乙烯丙烯共聚物与聚乙二醇的乙醇溶液接触，使用常规的粘结剂将两片基底之间靠近外侧的边缘处进行封装，确保内部溶液与外界环境完全隔离。

与实施例1相同，将液态防护膜的激光损伤阈值测试在自建的激光损伤阈值测试平台上进行，测试结果表明，该液态防护膜在1064nm，12ns激光下实际损伤发生时，出现的脉冲电压信号的突变值为22mV。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。