正文光学元件在高能激光辐照下损伤探测的光电检测系统的研究

1、1绪论1.1 光学薄膜激光损伤检测研究的背景和意义 自从激光问世以来,光与物质相互作用这一重要科学领域得到了新的开拓。六十年代初,随着调Q激光器的出现,激光对物质的破坏作用就为人们所察觉。随着激光器研究的发展以及高功率激光器的出现,人们发现,光学器件本身所能承受的抗破坏能力已成为限制激光器有用输出功率提高的重要因素之一，因此,激光对材料的损伤就成了激光研究领域中的一项重要课题1。光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件，并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。长期以来，激光对光学薄膜的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”，也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主因。另一方面，光

2、学薄膜也是导弹、遥感卫星等航天飞行器中导引、定位、遥感甚至能源系统中的重要组成元件，应用强激光武器对光学薄膜元件的破坏可以造成航天飞行器的致眩、致盲、失控，甚至于系统的整体失效。光学薄膜中即使出现十分微小的瑕疵，也会导致输出光束质量的下降，严重时将引起整个系统的瘫痪，光学薄膜的抗损伤特性将直接影响到整个系统的设计方案以及今后系统运行的性能。所以，研究光学薄膜的抗激光破坏问题具有非常重要的意义2。然而，激光对光学薄膜的损伤是一个复杂的过程，它由作用激光（重复频率、波长、脉宽、偏振态、模式、光斑、辐照方式等）和光学薄膜的性质（薄膜光学特性、膜料、制备工艺、薄膜结构、缺陷密度等）两方面决定。不同的激

3、光参数条件对同一薄膜会产生不同的损伤结果。不仅如此，由于薄膜激光损伤是薄膜与强相干辐射相互作用的结果，在强相干辐射作用下，薄膜元件具有许多新的行为，而这些行为通常难以用经典薄膜光学理论进行解释。因此，研究薄膜激光损伤，分析薄膜与强激光相互作用的过程及其结果，将会促进强激光材料科学，强激光薄膜光学等新学科的形成与完善，因此具有重要的学术意义。 1.2 光学薄膜激光损伤机理研究进展 当激光强度达到足够高的量级时,材料将发生一系列不可逆的灾难性的变化,通常将这种现象称为损伤。在过去的30年间,对激光诱导光学材料和膜层损伤的理论、物理机制、损伤的检测以及提高材料抗损伤的方法研究已经成为高功率激光研究的

4、一个重要领域,SPIE激光损伤专题国际学术会议年年召开,与会者众多,足以说明激光诱导损伤问题的复杂性。激光对光学薄膜的损伤过程是一个复杂的过程，对于不同的薄膜材料3、制备方法、激光参数45和作用模式6，破坏过程和损伤机理都有很大差异性，这里包含了激光作用的光学力学过程、场击穿过程等，但最基本的还是热过程，光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热，由热熔融或热力耦合导致薄膜的最终损伤。在大量的实验研究与理论分析的基础上，人们提出了雪崩离化7、多光子吸收8、杂质吸收910、节瘤缺陷11以及热爆炸模型破坏1213,等破坏机制，当然这些机制并不是普适的，在激光与薄膜相互作用过程中可能包括了多个过程

5、或多种机制的耦合，由于破坏过程时间短，作用区域小，大多数分析都只能是针对破坏后的特性进行的，这给确切了解破坏过程带来很大难度。 综合来说，多种机制的产生一方面说明激光与薄膜相互作用过程的复杂性，而另一方面也说明了人们对光学薄膜的激光损伤机制的认识是在不断地发展的。虽然各种机制都有其局限性，都是试图从某一个角度出发对激光与薄膜作用过程进行阐释，但在实际工作中，各种机制都为我们进一步提高薄膜的抗激光损伤性能指明了方向。理论界的工作者已倾向于综合考虑以多种机理的融合、贯通以求建立更完整的理论模型。几十年来，高功率激光薄膜及其激光破坏问题得到了长足的改进和发展。1.3 高能激光对光学薄膜的破坏 较高功

6、率激光的持续作用会产生几个基本的物理过程。一方面，薄膜在制备过程中产生的原发性缺陷，诸如节瘤，杂质等，在激光作用下会直接破坏，并不断扩大，另一方面，通过光化学，光离化，光热14，光声等多种效应产生诸如缺陷等继发性缺陷在后续激光的作用下被摧毁产生新的破坏。当能量足够高时，激光的热力过程本身就会累积增加。具体的规律，因材料和工艺而异。有些缺陷，在激光停止作用后会恢复，其破坏狀态是瞬时的，有些微损伤却继续保留，当激光再次作用时，破坏会继续发展15。这种破坏是永久性的。薄膜破坏的累积效应是与缺陷相关联的，抑制原发性缺陷的形成，消除继发性缺陷的诱因，有可能大幅度提高多脉冲激光作用下薄膜的破坏阈值16。高

7、能激光诱发的损伤现象主要有以下几种:1)激光在材料传输过程中产生横向受激布里渊散射效应,激发声波导致的材料机械损伤；2)由于光学元件内的材料杂质在加工过程中引入的亚表面损伤，表面附着的灰尘和污渍以及划痕等缺陷对激光的衍射效应导致激光近场出现大量中高频调制,带有调制的光束在后续介质传输,光束近场可能会形成局部强区(非线性热像),从而引起光学元件表面点状损伤和材料内部出现自聚焦丝,当局部强区的激光通量超过光学元件的损伤阈值时,元件将会被损伤；3)激光在传输过程中被光学元件上的遮光物调制,携带调制信息的激光光场在下游光学元件中传输,调制部分的B积分增长很快,到一定量后光场将出现局部热像,热像强度是平

8、均光强的好几倍,容易造成下游光学元件损伤；4)在激光器运行中,光学元件排布密集的复杂光机结构中,部分杂散光和鬼光束不可避免的要照射到光机组件的金属筒壁上,当光强足够大时,金属筒壁溅射的金属污染颗粒会沉积到光学元件表面上,在后续激光辐照下,这些金属颗粒与激光相互作用生成的等离子体将强烈吸收激光能量,使元件表面热熔或炸裂，污染和元件的初始缺陷是诱发激光损伤的主要原因。1.4 光电检测技术原理及其发展趋势1.4.1 光电检测技术的原理光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放

9、大滤波等检测电路提取有用信息，再经模/数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数，其工作原理如图1.4.1所示17。图1.4.1 光电检测系统工作原理光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光测量技术以及测量信息的光电处理技术等。主要有如下特点：1）精度高。激光干涉法测量长度的精度可达0.05m/m；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可以达到1m。2）高速度。光电检测技术以光为媒介，而光的传播速度非常快，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。3）距离远、大量程。光是最便于远距离传输的介质，尤其适用于遥控和遥测，如光电跟踪等。4）非接触测量。光照到被测物体上

10、可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的。1.4.2 光电检测技术的发展趋势通过上面对光电检测技术的原理和特点的分析，同时随着各国在技术创新方面的日新月异，光电检测技术的发展趋势主要表现在：向高精度方向发展：检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米高精度的光电检测新技术是今后的发展热点；向智能化方向发展：检测系统向智能化方向发展，如光电跟踪与光电扫描测量技术；向数字化方向发展：检测结果向数字化，实现光电测量与光电控制一体化方向发展；向多元化方向发展：光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，并向人们无法触及的领域发展，如微空间三维

11、测量技术和大空间三维测量技术；向微型化方向发展：光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展，光电检测系统朝着小型、快速的微型光机电检测系统发展；向自动化方向发展：检测技术向自动化、非接触、快速在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展。光电检测技术的发展趋势是与科技的整体发展趋势相适应的，还有一些是自己所特有的，整体上来说，是向着高精度、高速度方向发展。1.5 损伤阈值定义的发展 数十年来，光学薄膜激光损伤机制的研究取得了长足进步，同时伴随损伤阈值测试手段以及损伤阈值定义的较大发展。 当辐照激光能量密度较低时，光学薄膜的损伤主要由各类缺陷引起18,19,20。由于薄膜本身的结构比较复杂，

12、并且制备工艺繁琐，容易形成各类缺陷；贮存、运输等各个环节都可能引入各种污染，所以薄膜内部及其表面各类缺陷的分布非常复杂，相互之间的损伤阈值存在较大差异，这样在一定的能量密度范围内损伤往往呈现出概率性。因此，在功能性损伤阈值定义出现以前薄膜的损伤阈值都是以几率方式确定的。80 年代之前多数采用的是50几率损伤阈值， 定义为被检测薄膜的最大的不损伤能量和最小损伤能量的平均值。50%损伤阈值不确定性较大，并且存在所谓的“光斑效应”，即测试得到的损伤阈值对光斑尺寸的依赖性，这样导致同一样品在各实验室测得的损伤阈值有较大差异，体现了薄膜缺陷损伤的特点以及该定义的缺点。 50%几率损伤阈值定义的缺点推动了

13、损伤阈值检测技术的研究与发展。80年代后期，薄膜的损伤阈值开始用零几率损伤阈值定义，它表示的是损伤几率恰好为零时对应激光的能量密度。其获取方法如下：用不同的能量等级对待测样品进行检测，得到对应的损伤几率，在激光能量和损伤几率的坐标系中记下相应的位置，然后对这些几率做线性拟合，该直线与能量轴的交点便是零几率损伤阈值。相比于50阈值，零几率损伤阈值的不确定性要小很多；从应用角度来看，数值的可参考性也更大，更为重要的是，零几率损伤阈值定义从理论上消除了测试中的光斑效应。为了减小零几率损伤阈值的不确定性，在检测过程中能量等级应多一些，每一等级的测试点也应多一些，特别是2060（或80）的中间区域，此外

14、要准确找到零几率的能量值，一般测试中选10 个能量等级，每个等级不小于10 个作用点。无论是50%几率损伤阈值定义还是0%几率损伤阈值定义都是以器质性变化作为损伤产生的判断依据，也就是说只要激光辐照后样品表面或内部出现可见的不可逆变化即认为产生了损伤，无论该变化是否影响其所在光学系统的整体性能。实际上光学薄膜的损伤有相当一部分由各类缺陷引起，其激光损伤特点是概率性强、面积小且在一定条件下能够保持稳定；而以目前的制备技术，完全消除缺陷是不可能的，显然这非常不利于光学薄膜元件的充分利用。基于一些激光系统允许其元件有一定程度的损伤的事实，Stolz21等人提出了功能性损伤阈值的定义。 所谓功能性损伤

15、阈值，就是指激光辐照之后引起光学元件的变化不足以影响系统整体性能的最大能量密度。该定义下损伤产生与否的判断标准为系统的整体性能，主要表现为两个方面：首先，激光辐照产生的变化应足够小，不能改变元件的光学特性，诸如反射率、透过率等，也不能改变传输光束的特性，不至于影响元件在系统中的整体表现；其次，该变化应该是稳定的，在其所处系统正常工作的环境中不会发展成为灾难性损伤。 显然，功能性损伤不仅要考虑元件在一次激光辐照下的表现，还要考虑在以后多次激光作用下的结果；不仅要考虑元件本身的性能，还要考虑其所属系统对其的要求及其性能表现。1.6 本章小结本章主要介绍了研究光学薄膜激光损伤检测研究的背景和意义、光

16、学薄膜激光损伤机理研究进展、高能激光对光学薄膜的破坏、光电检测技术原理及其发展趋势以及光学元件损伤阈值定义的发展。光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件，并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。光学薄膜中如果出现十分微小的瑕疵，会导致输出光束质量的下降，严重时将引起整个系统的瘫痪，光学薄膜的抗损伤特性将直接影响到整个系统的设计方案以及今后系统运行的性能。激光对光学薄膜的损伤是一个复杂的过程，它由作用激光和光学薄膜的性质两方面决定。不同的激光参数条件对同一薄膜会产生不同的损伤结果。损伤最基本的还是热过程，光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热，由热熔融或热力耦合导致薄膜的最终损伤。激光

17、损伤检测的光电检测技术的研究成为了光电信息技术的研究重点，重要的是检测系统能够对光学元件的损伤进行在线监测。光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模/数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。现今光电检测技术正向着高精度、高速度方向发展。光学元件在高能激光辐照下的损伤阈值一直是相关课题研究的重点和难点。80 年代之前采用的50几率损伤阈值， 定义为被检测薄膜的最大的不损伤能量和最小损伤能量的平均值，不确定性较大。80 年代后期出现的零几率

18、损伤阈值定义为损伤几率恰好为零时对应激光的能量密度。后来提出了功能性损伤阈值，就是指激光辐照之后引起光学元件的变化不足以影响系统整体性能的最大能量密度。2 检测光学薄膜损伤的几种主要研究方法激光损伤阈值检测过程中，迅速而准确的判断损伤产生与否是必须的。随着损伤研究的开展，越来越多的仪器设备应用于损伤检测。总体而言，损伤检测经历了离线观察、借助显微镜在线人为判断以及自动化判断等几个阶段，效果越来越好且附加功能逐渐增多。 离线观测指借助光学显微镜或其他一些仪器观察激光辐照前后测试样品表面的变化。该方法的缺点是耗时、误差大，并且受到操作人员的影响。另外，该法不能实现在线判断。将显微镜嵌入损伤测试系统

19、可以实现在线人为判断，但同样存在操作员的主观影响，因而误差较大。 近年来出现了多种自动检测损伤装置，常见的主要有X射线检测法22、透射反射扫描法23、散射光检测法24、光声法25。 2.1 X射线检测法X射线是一种类似于光、热和无线电波的电磁辐射波，它的特点是波长短(工业X射线探伤中常用的波长范围约在0.1-0.001 nm之间)。由于辐射物质的波长越短，它穿透物质的能力也愈大，所以X射线具有极大的穿透物质的能力，正是利用这一特性进行X射线检测。图2.1是一种常见的X射线检测系统的系统构造图，X射线照射到物件上，由于它有极强的穿透能力，所以在下方的探测器可以检测到穿过物件的X射线，通常会形成一

20、幅图像，其图像灰度值与材料、厚度和内部结构密切相关7。正是由于通过图像分析可以得到缺陷的具体形式，从而X射线在元件的内部探伤中得到了广泛的应用。图2.1 X射线检测法原理图2.2 透射反射扫描法透射反射扫描法实验装置如图2.2所示：诊断激光D3D1D2计算机图2.2 透射反射扫描测试装置图入射诊断激光波长为1.06m,D1、D2和D3三个探测器分别测量分束激光功率P1、样品的反射激光功率P2和经过样品后的透射激光功率P3。假设分光镜有固定的分光比,则入射到样品的激光功率Pi=P1其中是常数,其值等于未放置样品时的P3/P1因此透射比t和反射比r可以表示为: t= P3/P1，r= P2/P1。

21、（2.2式）计算机按照预先设置的程序运行,首先关闭诊断激光,探测器D1,D2和D3获得背景光强P10、P20、P30，以后测到的光强都要相应地扣除掉这个光强，然后打开诊断激光,在没有样品存在的情况下D1和D3采集光强Pl和P3,常数=(P3-P30)/(P1-P10)，最后,放上样品,测出P1,P2和P3,即可由2-2式计算得到透射比和反射比，计算机控制二维样品台移动,实现扫描测试。2.3 散射光检测法散射光检测法实验装置如图2-3所示:图2-3 散射光法检测样品表面损伤的实验系统布局实验用一束He-Ne激光作测试光从后面透射照射样品,激光辐照点与He-Ne测试光点在样品表面重合,样品前依次放

22、置物镜，刀口与成像透镜,最后用一紫外光电管接收器来接收散射光信号。虽然紫外光电管对红光的灵敏度较紫外光来说要低一些,但对这个实验来说,其灵敏度已能够满足实验精度的要求。刀口的微小移动均能被光电管反映而从示波器上很明显地观察到，又由于紫外光电管对He-Ne光的灵敏度与它对紫外光的灵敏度不在同一量级,因此从示波器上很容易区分出这两种光,排除了非测试光被误接收的可能，从而使该系统成为一种相当简单而且灵敏度高的测量系统。2.4 光声检测法光声检测法的实验装置如图2-4所示：图2.4 光声检测法的实验装置激光器的出射光首先经过一空间滤波器滤波,然后通过一系列的分光镜S1、S2、S3、S4、S5进行衰减,

23、选择不同组合以确定薄膜受照的破坏闭值，同时在光路终端用一正透镜把照射光束聚焦,并把样品放在焦点前方的某一位置上。激光对样品表面具有加热作用,在样品表面产生弹性应变,激发出表面应力波,该应力波将对与实验样品接触的光声探头激发出一个光声信号。由于光学薄膜在发生破坏前与发生破坏后其本身的物理性质己经发生了变化,因而激发出的光声信号也随之发生了变化,于是以此变化就可以判断出光学组件是否已经发生了破坏,从而达到了在线检测的目的。2.5 光学元件激光损伤在线检测系统检测方法选择目前应用的方法主要有X射线检测法、散射光法、透射反射比法、光声检测法、光热偏转法等,不同的方法各有优点。各种方法的适用范围如表2.

24、5所示。散射光检测法相对于另外三种方法简单且稳定、不易受环境干扰，同时可实现自动判断并采取相应措施，具备其自身的优点，其缺点是散射光信号与损伤程度对应关系不明确。在激光辐照过程中令一束He-Ne光斜入射测试区域，并使用光电探测器探测散射光的变化。如果辐照前后散射光强度有明显且稳定的变化则说明有损伤产生。对于大多数损伤形貌，散射光检测法可以有效、准确的监测损伤的产生，如J. Hue26等人采用散射光检测法成功检测到了重复率激光脉冲辐照下样品的损伤，损伤产生前后的散射光强度变化如图2.5所示。方法特点和适用范围显微观察方便、可靠，适用于光学材料体、表面和薄膜散射光法方便、可靠、有效，适用于光学材料

25、体、表面和薄膜光热光声法灵敏、可靠，适用于光学薄膜表面扫描电镜法可靠，但难以实时监测干涉法可靠，不直观，适用于体、表面和薄膜全息探测可行，但难以实时检测体、表面和薄膜等离子体闪光方便，不够准确，适用于体、表面和薄膜吹气法直观，不够可靠，适用于表面和薄膜表2.5 各种方法的适用范围图2.5 损伤产生前后检测到的散射光强变化（J. Hue等）采用一束聚焦的调制激光束垂直照射薄膜表面,用光强敏感器件在一定的角度处以一定的孔径检测经过薄膜表面散射的光强信号,通过对被测样品的水平扫描获得薄膜表面的散射率分布，散射光强信号反映的是薄膜表面受照区域的平均散射能力,所以光斑聚焦在薄膜样品表面的直径越小,散射检

26、测的空间分辨率也越高。由结晶状态及微结构缺陷所造成的薄膜质量下降,散射检测能够灵敏地检出。2.6 本章小结本章主要介绍了光学元件激光损伤的三种在线检测方法，以及通过比较选择了最优检测方法-散射光检测法,利用薄膜发生损伤时,引起参考光束的散射变化来确定损伤。探测光学薄膜的激光损伤,最初的办法是直接用肉眼或显微镜观察辐照表面有无宏观损伤或等离子体闪光,但此法较为粗糙,损伤点不易寻找,而且当激光能量较低,尚未引起表面宏观破坏时无法看出损伤,而这时光学薄膜的微观结构及光学性能如折射率、透过率等可能已经改变,甚至可能发生热形变等。因此,对损伤的判断,以光学薄膜光学性能是否改变而不是宏观上的破坏作为标准,

27、显得更为客观。在这个标准的基础上,国内外学者根据各自的情况设计出了多种测量阈值的具体方法,如透射反射扫描法、散射光检测法、光声检测法等。通过比较分析，本论文采用散射光检测法来实现光学元件激光损伤的在线检测。3 在线检测系统及其各部分功能实现通过第二章的分析讨论 ，我们了解了光学薄膜激光损伤的三种常见的方法，并且通过比较得出散射光检测法是一种简便、容易实现、且不易受环境的干扰等优点。散射光检测法的原理已经在第二章做了简单的介绍，本章主要讨论基于散射光检测法光电检测系统的研究以及系统各个部分的功能。下图是检测方案的总体设计思路。1 激光器；2 光束调整系统；3 测试光束；4 光电探测器；5 负孔径

28、；6 待测样品图3 散射光检测法总体思路采用一束聚焦的调制激光束垂直照射薄膜表面,用光强敏感器件在一定的角度处以一定的孔径检测经过薄膜表面散射的光强信号,通过对被测样品的水平扫描获得薄膜表面的散射率分布，散射光强信号反映的是薄膜表面受照区域的平均散射能力,所以光斑聚焦在薄膜样品表面的直径越小,散射检测的空间分辨率也越高。由结晶状态及微结构缺陷所造成的薄膜质量下降,散射检测能够灵敏地检出。损伤阈值的测量是高功率激光薄膜研究的重要内容，它不仅是薄膜损伤机制的研究和抗激光强度的标定和提高所必须的，而且是在激光系统中有效利用薄膜元件所必须的。3.1 检测系统总体介绍建立的激光损伤阈值测试系统基本结构如

29、图所示。图3.1 激光损伤在线检测系统在线检测装置主要由激光照明系统、衰减系统、能量调节系统和图像接收与处理系统组成,其中的分束镜使一部分的测试激光进入能量计，一部分照射到样品上。由激光器发出的光束经衰减系统的目的是防止激光能量过大对光路中的光学元件损伤，随后照透过分光镜导入被检光学系统。如果被检光学系统中的光学元件表面或内部有损伤,则损伤点的散射光经平面反射镜和分光镜反射后进入接收平行光管,损伤点就成像在CCD 摄像机靶面上,图像由计算机记录。通过软件对图像进行分析和处理后,给出损伤的光学元件在被检光学系统中的位置和损伤点的尺寸。3.2 检测系统的各部分功能介绍Nd:YAG激光: Nd:YA

30、G激光器输出测试光束，连接到计算机控制激光的输出能量，作为本系统中的高能激光输出，对光学薄膜损伤阈值进行测试。采用电光调Q，输出波长为1064nm，激光脉宽12ns，工作在单横模状态，激光输出频率在1-10Hz之间可调，最高单脉冲能量可达110mJ。Nd:YAG激光器具有较高的量子效率，受激辐射截面大，还具有较高的热传导率，易于散热。Nd:YAG不仅可以单次脉冲运转，还可以用于高重复率或连续运转。He-Ne激光：在本系统中，He-Ne激光作为光源照射在损伤的光学元件上，在光学元件表面的损伤点发生散射。在检测系统中只作为光源，控制在较小的能量范围内就可以，不用对激光功率进行控制，故不连接计算机。

31、由于气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦。但是气体工作物质的单色性好，方向性好，因此作为照射光源比较合适。能量调节系统：由1/2波片及偏振片组成，由计算机控制可以调节照射到样品表面的光束能量。后边的1/2波片则可用于改变入射激光的偏振度从而完成不同偏振态的损伤测试。衰减系统：激光输出能量或功率的调节需要通过外部衰减系统完成，衰减系统不影响激光光束质量，尤其是光束传输系统不能影响光束的偏振态。衰减系统的输出端口提供的功率小于输入端口的入射功率，目的是为了防止高能激光功率过大而对光学元件造成不可恢复的损伤。衰减系统有一定的衰减倍数，衰减系统的输出端口输出的功率可以由能量计探测到。二维步进电

32、机：步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。该检测系统中的步进电机为二维步进电机，输入一定的程序，即可在X、Y方向对样品测试区域进行准确定位，并可按照测试要求进行调整以满足不同入射角度的要求。光束分析系统：在等效靶面位置上记录取出的部分光束的光斑以监测每个脉冲的能量密度分布情况并计算光斑的高斯半径。此外还使用能量计采集取出的部分光束以检测能量波动情况并以此计算辐照样品表面的脉冲能量。CCD相机可以实时观察待测样品表面的变化情况，并可在激光脉冲辐照

33、前后进行图像采集、进行图像相减处理以自动判断损伤产生与否。检测系统中引入CCD相机可使损伤实现自动化测量。在线成像系统:装置中的在线成像系统可以实时观察待测样品表面的变化情况，并可在激光脉冲辐照前后进行图像采集、进行图像相减处理以自动判断损伤产生与否。整套激光损伤阈值测试系统可实现自动化测量，包括能量调节、激光触发、靶面光斑测量、能量读取以及步进电机的定位等方面均通过计算机控制，大大降低了操作员的劳动强度，同时也在某种程度上降低了人为因素的影响，提高了测试精度。3.3 损伤阈值的测试方法简介3.3.1 四种阈值测试方法激光损伤分脉冲激光损伤阈值和连续激光损伤。在脉冲激光损伤中，根据激光辐照方式

34、的不同，光学薄膜激光损伤阈值的测试方法主要有以下四种，四种激光损伤阈值测试方法的频率-时间坐标表示如图3.3.1所示。 l 1-on-1：又称为单脉冲损伤，体现的薄膜样品的初始状态，这是薄膜制备者比较关心的问题。在1-on-1测试中，每个样品点只接受一个激光脉冲辐照，不管出现损伤与否，样品移至一个未辐照点。 l S-on-1：又称为多脉冲损伤，表现的是薄膜样品在重复率激光作用下的累积损伤效果，这是薄膜使用方比较关心的问题。在S-on-1测试中，同样能量的多个脉冲在较短时间内作用于同一区域，脉冲个数以及激光重复频率应根据具体情况约定。 l R-on-1：对每个位置进行能量密度以斜坡式渐增的多次辐

35、照。 l N-on-1：每个位置多次辐照，每次辐照之间的能量密度增量比R-on-1大，其它方面相同。图3.3.1 四种阈值测试方法坐标表示3.3.2 S-on-1 激光损伤阈值测试方法下面就S-on-1激光损伤阈值测试方法及测试流程和参数进行简单的介绍。1、测试装置：图3.3.2（1） S-on-1损伤阈值测试基本装置1 测试样品室；2 在线检测系统；3 光束分析仪器；4 聚焦系统；5 半波片；6 能量调节系统；7 激光器基本的检测装置如图3.3.2(1)所示。稳定输出的激光经能量调节系统并经会聚透镜后辐照于样品表面。测试前须对光束进行标定，并且样品测试面应置于会聚透镜的焦点附近样品置于可精确

36、定位的运动器具之上以便对测试点进行精确定位，半波片用于改变测试光束的偏振态；分光镜取出部分光束供光束分析系统分析其特性并作记录，包括脉冲能量以及能量的空间分布与时间分布。根据测试光束确定样品位置并按照测试角度放置，每个测试点所用的脉冲能量及重复频率保持稳定。测试过程中保持样品固定，一个测试点完成后移至下一点进行；测试点之间保持一定的间隔，建议大于光斑等效直径的三倍。同一样品应改变脉冲能量密度进行多个点的测试，确定损伤阈值应根据所有的数据而不是某一个点。以上过程适用于所有的激光系统，无论波长、脉宽及重复频率如何。光学薄膜的激光损伤阈值依赖于测试所用激光器的系统参数。为了补偿不同测试系统带来的差别

37、，基于实验数据建立的缩放规律可能有用，但在使用过程中需考虑其适用范围。2、测试仪器激光器：损伤阈值测试要求激光器以固定的频率稳定输出近高斯或平顶脉冲。测试过程中须监视脉冲的时间分布。特别S-on-1测试过程中峰值功率密度波动不应超过一定的指标，而脉冲重复频率波动误差不能超过1%。误差分析中应记录激光参数的稳定程度。能量调节及光束传递系统：激光器输出脉冲后由外部能量调节系统按测试需要作调整，但应避免改变其光学特性。光束经能量调节系统及光束传输系统后应满足测试系统对于光斑特性的要求，特别指出的是，光束传输系统不能改变光束的偏振态。聚焦系统：聚焦系统的设置应兼顾激光器及靶面光强分布要求，并且测试报告

38、中应明确记录聚焦系统的构成及参数。光斑参数应在样品的实际测试位置进行测量。对高斯光束而言，聚焦系统的通光孔径应大于或等于入射面处光束直径的三倍。测试过程中样品表面及相关光学元件的反射光与测试光可能发生干涉并影响测试结果，因此应采取措施予以消除。常见的方法是将样品做成楔形或将其倾斜放置，另外使用高度会聚的光束也是可行的。样品夹具：测试系统应有适合待测样品大小并且足够精确的定位器械以便对测试位置进行精确定位。损伤检测系统：损伤检测须用显微镜对测试前后样品表面进行观察。显微镜须自带偏光光源并且放大倍数应在100x到150x之间。需要指出的是，S-on-1损伤测试过程中必须有合适的在线观测系统对测试区

39、域进行观察，如果发现损伤则记录最小损伤数NMIN并进行下一点测试。3、测试流程选取样品表面未经辐照的区域，调整脉冲的能量 并进行NP次辐照。如果在辐照过程中NP个脉冲结束之前在线观测系统检测到损伤，则停止对改点的辐照并记录产生损伤时辐照脉冲的个数NMIN。使用不同的脉冲能量重复该过程并在整个测试过程中保持NP不变。4、损伤阈值的确定（外推法）损伤数据可以表示为辐照脉冲数及产生损伤时相应脉冲能量组成的坐标系内的点，其处理可以有两种方法进行，即损伤特性曲线法及外推法。其中损伤特性曲线法可以准确获得测试样品的损伤阈值，但是其适用范围有所限制，即每个测试点的辐照脉冲个数NP不能大于107。而外推法作为

40、一种基本的检测与研究技术可用于大数目的S-on-1 损伤阈值测试。下面是对外推法的简单介绍： 基于损伤数据可以作出损伤及未损伤区域分布图。使用该方法获得某一特定辐照次数N下的损伤阈值，测试过程中需在一定范围内改变每个测试点的脉冲辐照次数NP，并且测试流程也要稍作修改。在测试过程中要改变NP值并且所用的每个NP值都要进行多个点的测试。在同一测试点的辐照过程中如果发现损伤或达到规定的辐照次数则进行下一点测试。将脉冲能量转换为损伤阈值并以辐照脉冲数目为坐标，按照损伤与否可以划分为损伤区域及未损伤区域,如图所示。根据该图可估计样品的损伤阈值并可处理较大辐照次数的测试数据。具体的测试过程为：在如图3.3

41、.2（2）每个能量密度下辐照 30 个测试点，以保证测试点覆盖到薄膜中最薄弱的环节。选取脉冲数 5，10，50，100，200，500,1000找到该脉冲数下对应的未发生损伤的最大能量密度。在此能量密度之上为损伤区域，之下为非损伤区域。 脉冲数的选取不是绝对固定的，可以根据实际条件调整。 为了简化测试过程，也可以只测量脉冲数5，10，50，100，200，500,1000的损伤情况，若辐照过程中发现有破坏发生，直接减小能量进行下一阶段的辐照。破坏越微弱，能量减小的幅度应当越小。直到30个测试点均未发生破坏，则认为该脉冲数下未发生损伤的最大能量密度已经找到。 改变脉冲数，进行相同的辐照。直到如图

42、3.3.2（3）所示，找到损伤区和非损伤区的分界线，该分界线之上为损伤区，分界线之下为非损伤区。依据该分界线可以找到任意脉冲次数下薄膜的 0几率损伤阈值。 图3.3.2（2） 损伤阈值测试能量台阶及测试点分布示意图图3.3.2（3） 损伤区和非损伤区分布图注：相比于损伤特性曲线法，外推法所需的测试数据较少，可以在同一样品上完成。它适合于已经经过严格测试的样品或是为进一步测试作准备。外推法得到的损伤分布图可以看作是由损伤特性曲线演化而成，也可以由损伤特性曲线的数据文件直接得到。3.4 本章小结本章介绍了散射光在线检测装置的原理以及各部分功能的实现，在线检测系统主要由照明平行光管、接收平行光管和图

43、像接收与处理系统组成。由激光器发出的光束经照明平行光管准直后透过分光镜,再由平面反射镜导入被检光学系统。如果被检光学系统中的光学元件表面或内部有损伤,则损伤点的后向散射光经平面反射镜和分光镜反射后进入接收平行光管,损伤点成像在CCD 摄像机靶面上,图像由计算机记录。然后简单介绍了四种阈值测试方法：1-on-1、S-on-1、 R-on-1、N-on-1。并且选用S-on-1方法进行测试，从测试装置、测试仪器、测试流程以及损伤阈值的确定四个方面简单介绍了测试方法。4 总结 4.1 主要研究内容本文从激光与光学薄膜的相互作用出发，研究了高能脉冲激光作用下光学薄膜的损伤行为，并在此基础上对激光损伤阈

44、值测试方法及过程等方面进行了探讨。主要内容如下： 通过查阅文献资料，了解了光学薄膜在高能激光辐照下的损伤机理以及研究背景和意义，光电检测系统的设计原理以及光电检测技术的发展，损伤阈值的测试方法的发展。比较分析了四种常见损伤检测方法，X射线扫描法、透射反射扫描法、散射检测法、光声法。分析得出散射光检测法误差较小，且设计方便简单。基于散射光检测法模拟了光学元件激光损伤在线检测系统，并且对检测系统各部分的功能进行了研究。通过对四种阈值测试方法的简单介绍，基于高能激光作用下损伤的概率性特点分析了当前S-on-1损伤阈值测试的方法，以及在测试过程中应注意的问题。以及在损伤阈值确定的方法上外推法的优点以及

45、简单介绍。4.2 对今后工作的建议 尽管本论文的工作对于测定光学薄膜在高能激光辐照下的激光损伤阈值、研究高能脉冲激光作用下的损伤机制、更好的利用光学薄膜元件具有一定意义，但纵观全文，我们的工作在很多方面还不够深入，尚处于初级阶段，还需要进一步的研究工作。高能激光脉冲作用下光学薄膜的损伤发展方面，本文只是对特定波长的激光作用于特定薄膜的情况进行了研究，并且由于硬件的局限，所得结论缺乏普遍性；对于光学元件损伤阈值的测量，本文也只是给出了定性解释，尚缺乏实验验证；并且对于在线检测系统也只是给出了模型，需要进一步的实验研究等等。 参 考 文 献1 R.R. Austin, R. Michaud and

46、 A.H. Guenther, “Effects of Structure, Composition, and Stress on the Laser Damage Threshold of Homogeneous and Inhomogeneous Single Films and Multilayers”, Applied Optics, 1973, 12(4): 665-676 2 F. Stewart, A. H. Guenther, “Laser damage test results on Balzers round-robin thin film samples”, Applie

47、d Optics, 1984, 23(21): 3774-3778 3 E. Hacker, H. Lauth, “Review of structural influences on the laser damage threshold of oxide coatings”, SPIE Vol. 2714 (1996): 316-330 4 H. E. Bennett, A. J. Glass, A. H. Guenther and B. Newnam, “Laser induced damage in optical materials: eleventh ASTM symposium”,

48、 Applied Optics, 1980,19 (14): 2375-2397 5 S. R. Foltyn, “Spot size effects in laser damage testing”, SPIE Vol. 669 (1984): 368-379 6 F. Stewart and A. H. Guenther, “Laser-induced damage: an introduction”, Applied Optics, 1984,23(21): 3741-3742 7 S. Epifanov, A. A. Manenkov and A. M. Prokhorov, “The

49、ory of avalanche ionization induced in transparent dielectrics by an electromagnetic field”, Sov.Phys.-JETP, 1976, 43(2):377-382 8 N. Bloembergen, “Laser induced electric breakdown in solids”, IEEE.J.Quantum Electron, 1974, QE-10: 375-386 9 R. W. Hopper and D. R. Uhlmann, “Mechanism of inclusion dam

50、age in laser glass.”, Appl. Phys., 1970, 41(10): 40234037 10 H. Goldenberg and M. A. Tranter, “Heat flow in an infinite medium heated by a sphere”, Brit. J. Appl. Phys., 1952, 2: 296-301 11 J. Stolz, R.J.Tech,M. R. Kozlowski, and A. Fornier, “Acomparison of nodular defect seed geometries from different deposition techniques”, Laser Induced Damage in Optical Materails:1995, SPIE proceedings, 2714