激光薄膜损伤阈值的检测

几个光学薄膜激光损伤阈值测量办法的介绍与探讨1.前言光学薄膜现在已经成为各个光学元器件不可或缺的部分，随着高功率激光器件的发展，由于光学薄膜相对于其它光学元件普通含有比较低的激光损伤阈值，因而光学薄膜成为了高功率器件限制功率提高的瓶颈所在，因此提高薄膜的激光损伤阈值显得极为重要。然而要想提高薄膜的激光损伤阈值，精确的测量薄膜的激光损伤阈值成为了现在亟需解决的难题。本文系统的总结了1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描四种测试方式，以及normaski相称显微镜观察、等离子体闪光鉴别等几个判断薄膜损伤办法的原理。可为薄膜激光损伤阈值的测试提供参考与借鉴。几个损伤阈值测量办法的介绍现在主流的测量方式有1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描四种方式。其测试设备均如图一所示，只是在激光辐照到样品表面时而采用不同的方式。图一激光损伤阈值测量光路激光器发出强激光用来作为损伤光，玻片与偏振片共同构成衰减器，He-Ne激光器所发出的光作为准直光使用，聚焦透镜使得光斑聚焦到适宜的大小，分光镜将光分为三束，其中一束通向样品，一束通向能量计以时时监测能量值，另外一束通向CCD以拟定光斑大小。2.11-on-1测量办法采用不同能量密度的激光依次对样品上一排点进行辐照，每个点辐照一次，为了确保各个点之间不互相影响，应使得两个点之间的距离为样品表面解决光斑直径的3倍以上（如图二），辐照完后计算出该功率下的损伤几率，然后用相似的办法进行下一种功率的辐照。得出各个功率密度分别对应的损伤几率（必须包含0损伤几率与100%损伤几率）后，运用最小二乘法原理，对数据进行线性拟合，进而得到损伤阈值。图二样品的测试点分布该种办法应用较为普遍，它得到的损伤阈值也较为精确，但是该办法测量面积较大，且不能得到阈值分布，对于重频激光来说必须考虑激光辐照的累积效应，该测试办法也不能满足。2.2S-on-1测量办法采用不同能量密度的激光对样品上的一排点进行辐照，每个点辐照S（可觉得1,10,100,1000等）次（若不到S次就发生损伤则应立刻移动至下一种测试点），为确保各个点之间不互相影响，应使得两个点间的距离为样品表面处光斑直径的3倍以上，辐照完后计算出该功率下的损伤几率，然后用相似的办法进行下一种功率的辐照。然后同1-on-1办法拟合出功率密度与损伤几率的关系，进而得到损伤阈值。该办法相对来说更加符合日常实际状况，因此也是一种比较惯用的测量办法。同1-on-1法，该办法也无法得到阈值的分布状况。2.3R-on-1测量办法测量过程中通过变化衰减器，从而使得激光能量按梯度增加，将激光打到样品的测试点上，发生损伤后就移至下一种点（两点之间的距离普通也为样品上光斑直径的3倍），统计下发生损伤时激光能量的密度F与前一种为发生损伤时的激光能量密度F。分别求出各个点的F与F的平均值，即为该点的损伤阈值，再将全部测试点的损伤阈值求平均，即可认为是该样品的损伤阈值。该办法能够得到较多的数据，能够分析整个光学原件的均匀性，但是由于激光预解决效应而使得激光损伤阈值有所增加。2.4光栅扫描法在样品上选用一定的区域进行多个能量梯度的光栅式多脉冲扫描，扫描间距普通也为样品上光斑直径的3倍左右。每个能量梯度扫描一次，若未出现损伤则进行下一梯度的扫描，若出现了损伤则统计下此时激光能量密度F与前一种未损伤时的激光能量密度F。阈值的拟定于R-on-1相似。该办法由于需要测量的面积较大，所需时间较长，且由于存在激光预解决效应，从而会使得激光损伤的阈值也有所增加。2.5多个办法的比较图三为不同光斑下多个测量办法下的1-on-1，S-on-1与R-on-1的损伤阈值曲线图，表一为损伤阈值的测量成果。图三两种光斑尺寸下，1-on-1、S-on-1与R-on-1的损伤几率图表一四种方式损伤阈值测量成果以上数据得R-on-1>光栅扫描>1-on-1>S-on-1。理论分析以下：由于存在激光预解决效应，R-on-1与光栅扫描法得到的损伤阈值会比S-on-1与1-on-1得到的阈值大。由于光栅扫描法扫描的范畴比较大，因此其更容易辐照到缺点等阈值极低点，从而使得其损伤阈值相对R-on-1更小。而在S-on-1中存在光热积累效应，因此多脉冲往往更容易造成损伤，因此S-on-1又比1-on-1大。可见，理论与实验符合的较好。3几个判断样品损伤的探测办法国际原则（ISO11254）对损伤的定义为用规定的检查技术能够观察到样品表面特性的任何激光诱导的变化。本节重要介绍了几个常见的判断薄膜损伤与否的探测办法，重要涉及相称显微镜观察法、图像解决法、等离子体闪光法、反射光能量鉴别法、光斑形变法、透射反射扫描法、散射光鉴别法、光热信号鉴别法、光声信号鉴别法、雾气法。重要总结了这些办法的原理，分辨率以及判据等问题。3.1相称显微镜观察法光是电磁波，含有振幅与位相，当其通过介质时，它的位相与振幅变会发生一定的变化。通过观察光强即可懂得振幅的变化，而相位的变化则无法直接测出。而相称显微镜则根据阿贝成像原理，运用特殊的空间滤波器，把不能直接观察到的相位变化转换为光强变化。在探测到相位变化的同时，增强了图像的清晰度，还提高了图像的放大率。相称显微镜的分辨率比普通显微镜高好几个数量级，能够看到1~50nm级微观图像。因此根据国际原则ISO11254，用放大倍数100至150倍（普通推荐150倍）的Nomarski相称显微镜观察辐照前后形貌的变化，从而定义与否有损伤发生。图四为用显微镜观察下的几个典型的损伤形貌。图四显微镜观察下的几个典型损伤形貌该种办法即使为ISO规定的一种办法，但是由于需要人眼直接观察判断与否有损伤，对于比较明显的损伤测试精确，但是对于比较弱的损伤则没法探测或是误差较大。除了这种办法，还能够用扫描电子显微镜、激光诱导荧光显微镜6和粗糙度进行观察薄膜表面与否发生损伤，原理基本与相称显微镜相似，在此不做具体表述。3.2图像解决法该办法的出现时为理解决相称显微镜观察法中的人眼主观误差的问题。原理为在Nomarski相称显微镜目镜处放一CCD，从而在阈值测量实验过程中能够时时得到显微镜观察的图像。再将各个时刻的图像在计算机中分别与样品未经激光照射时的图像进行对比、分析，当两幅图像中出现一定程度的不一致时即可认为产生了损伤。3.3等离子体闪光鉴别法当辐照到薄膜样品表面的激光功率较大（>10W/cm）时,薄膜的吸取系数不再为常数，又由于激光作用时间短，薄膜来不及热传导，在入射点处，薄膜温度快速上升，并发生汽化。在强激光的继续作用下，气体分子产生电离，进而发生雪崩离化，形成等离子体闪光现象。在等离子体闪光过程中，薄膜表面的气化介质材料会被喷出，同时等离子体会对膜层产生冲击波（作用于单位膜面积的薄膜作用力可达成10N/m），从而发生不可逆的变化。等离子体闪光普通采用的办法是在薄膜及元件表面附近放置一种光电探测器，如图五（a）所示，当发生闪光时，光电探测器将输出一种电平信号，由此认为薄膜发生了损伤。但是，在激光强度足够大的时候，也会发生大气击穿现象，产生闪光，此时光电探测器也会输出一种电平信号，从而造成误判。然而光谱峰值位鉴别法则能够消除这种误判，其原理为：将光电探测器改为光谱仪（如图五（b）所示），在发生闪光时将闪光的光谱图统计下来，传输到计算机内与大气元素的闪光光谱进行对比分析，由于光学薄膜中的元素与大气中的元素存在本质的差别，一旦薄膜发生等离子体闪光，就会出现新的峰值，而大气闪光则不会出现新的峰值，因此能够消除由于大气闪光而造成的误判。图五等离子体闪光探测法原理图（原型及改善型）等离子体闪光法是一种较惯用的办法，一旦出现等离子体闪光，便可认定为已经发生了损伤。但是由于等离子体闪光只有在膜内温度足够高，从而使得薄膜离化时才会产生，在薄膜熔点下列所发生的破坏现象或薄膜内发生的破坏尚未造成完全喷发的状况下（如激光热应力破坏），不会有等离子体的产生，此时若再用此办法则无法探测已经产生的损伤。3.4散射光鉴别法当样品发生损伤后，激光通过损伤处后其散射光便会有变化。当光通过样品时，影响光强弱的因素有散射和吸取。当用弱光探测时，吸取对光强的作用能够无视不计，散射起重要作用。散射光鉴别法就是运用散射引发探测光的削弱来检测薄膜表面与否有损伤的一种办法。图六散射光鉴别法原理图图六为散射光鉴别法原理图，He-Ne探测光在每个测试点被泵浦激光辐照后照射到测试点，分别测出受脉冲激光辐照前后的He-Ne激光的反射能量。当反射光能量发生变化时，即认为表面发生损伤。普通认为当作用点的反射光能量变化达成10%时，就可认为发生了损伤，但这一判据受测试条件以及薄膜种类影响较大，在具体检测过程中尚有实验拟定判据的需要。3.5透射反射扫描法由于激光损伤的物理实质为变化了光学薄膜的物质构造，从而影响了薄膜的光学性能，因此测出透射、反射比，将辐照前后成果比较后即可判断损伤与否发生。图七透射反射法原理图图七为透射反射法的原理图，诊疗激光的波长为1.06um，D1、D2、D3三个探测器分别测量出分束光功率P、样品反射光功率P和样品透射光功率P。由数学运算可得式中为透射比，为反射比，P、P为无样品时D1、D3探测到的光强，P、P、P为诊疗激光未开时D1、D2、D3所探测到的背景光强。p、p、p为有样品时D1、D2、D3所探测到的光强。求出反射比透射比后再做出透射曲线与反射曲线，找出透射和反射曲线明显下降的点即认为发生损伤处。实验成果表明，透射反射扫描法能够较好的反映损伤的发生状况，能够发现某些显微镜所不能发现的损伤，并且该办法原理和构造都比较简朴，便于实际应用与在线实时检测。但是普通透射比反射比为波长的函数，因此在用此办法时尽量选用薄膜工作波长的诊疗激光进行检测。3.6声光法此办法为1988年西德的柏林大学提出的办法，也是现在LLNL实验室采用的办法。由于激光照射到光学表面时，光学表面会产生反射声波，声光法就是运用反射的声波对探针光的扰动而探测损伤光斑的大小，原理图如图八所示。图八声光法原理图探针光距离光学表面40um左右，当激光照射光学表面时，由于会产生反射声波，故气体声光调制会使得探针光发生偏转，在探针光和狭缝（仅允许光束最陡轮廓线部分光通过）后的能量计会探测到一种脉冲抖动，由脉冲抖动的幅度大小能够判断损伤的发生于损伤斑的大小。该办法的探测精度能够达成10um。3.7光声法光声法通过也是基于激光照射到光学表面时会产生反射声波的理论。但是区别在于，光声法并没有采用让声波与探针光的作用，而是直接在样品附近或紧挨着样品放置声传感器，从而实时统计薄膜受激光辐照后的声波波形、幅值等物理量，并且根据光学薄膜受损后膜层内的光声波波形会发生变化且波幅急剧增大而得出定性的损伤判据。该办法能够实时探测薄膜损伤状况，并且根据声波波形特点及频率能够更加精确的分辨薄膜表面的热弹性效应和击穿空气等其它容易造成误判的状况。在许多文献中，都把声光法与光声法混为一谈，但总而言之，两者测量办法完全不同，这是在后来文章中值得注意的地方。3.8光热法当受调制的泵浦强激光入射到红外滤光片时，由于薄膜材料的吸取，使得样品因受热而发生周期性的形变，此时运用另外一测量光来探测形变部分，能够探测到形变信号。这种光热信号中包含了薄膜的热物性信息，由于泵浦光的作用引发薄膜的构造及其性能发生变化，当观察到光热信号不可逆的变化时，薄膜的热性能也产生了不可逆变化，这时便可判断薄膜产生了损伤。图九红外滤光片损伤实验的光热信号随激光功率的变化关系图九表达的是红外滤光片损伤实验的光热信号随激光功率的变化关系。由图能够看出，在I区光热信号与泵浦光功率呈线性关系，并且是可逆的，证明还没有发生损伤；II区光热信号与泵浦光功率呈非线性关系，但是变化较小，并且也是可逆的，证明此区域正处在损伤与不损伤之间；III区光热信号随泵浦光功率发生很陡的跃变，并且是不可逆的，证明发生了损伤。因此损伤阈值应当在II区与III区的交界处左右。3.9光热偏转法光热偏转法原理如图十所示。受测薄膜样品通过泵浦激光辐照后，热量的吸取造成样品内部产生热波，受测区域由于不同于未辐照区域的应力与温度分布状况，会使得探针光产生一定的偏转，这是如果在反射光路中放置PSD，即可探测出探针光反射的偏移量，进而判断出薄膜损伤。这一偏移量与受测薄膜的材料属性、光学属性都有关，并且与入射光能量成正比。损伤的判据为光热偏转信号产生可不可逆的变化。由于该办法能够探测出薄膜微小的热学或光学特性的不可逆变化以及探测出更深的形变，因而该办法相对于显微镜观察含有更高的敏捷度。但是光热偏转法对测试环境规定较高，且实验的搭建较为复杂。图十光热偏转法原理图3.10光斑形变鉴别法这种办法是在研究激光诱导晶体损伤时提出来的。由于当晶体内部损伤时透射光斑会沿C轴拉长，发生畸变。而没有发生损伤的时候，由于晶体或薄膜内部较为均匀，不会产生散射色散等效应，从而其光斑应当为圆斑。因此能够通过观察光斑与否发生畸变而作为判断薄膜与否发生损伤的判据。此办法也能够结合图像解决法进行判断，从而减小认为引入的误差。原理与用显微镜观察的图像解决法相似，在此不再赘述。3.11雾气鉴别法有些状况下，即使我们在损伤测试过程中看到了有闪光产生，激光对样品产生了一定的破坏或者使得样品表面发生了一定的变形，但是我们用肉眼或Nomarski显微镜却并不能观察到损伤。此时便能够向样品喷未达成环境饱和蒸汽压的的气体，则在喷气后，已经产生的损伤就会放大，我们就能够用眼睛或者Nomarski显微镜观察到原来观察不到的损伤。3.12其它办法除了以上某些惯用的办法，尚有某些其它不惯用或不成熟的探测办法。例如化学法（运用颜色判断等）、六角光栅法、激光损伤光斑直径直接计算法、基于分数泰伯效应的计算法等。3.13小结以上介绍的多个办法均可视为“可观察的不可逆物理体现”的具体体现，多个办法均含有其合理性，但也各有局限性，因此普通来说，在测定薄膜激光损伤阈值时，采用多个办法同时进行鉴别，多个办法互相佐证，以减小检测时的人为因素和某个办法的局限性，从而得到比较容易让人信服的数据。需要注意的是在损伤较小的状况下，在同一损伤实验中，不同测试办法可能得到不同的成果，这种现象时正常的，是由于不同探测办法的敏捷度不同而造成的。在这种状况下，应当多采用几个办法，综合分析后再拟定损伤阈值的数值。4结束语激光损伤阈值的核心是精确的鉴定样品损伤与否，精确的测定样品的损伤及损伤阈值不仅是衡量激光抗损伤能力的原则，并且是研究激光损伤机理从而提高激光损伤阈值的必备条件。因此，激光损伤的鉴别和激光损伤阈值的拟定始终是一种含有挑战性的课题，需要持续、进一步的研究。国内文献中对Nomarski显微镜观察法、等离子体闪光法、散射光鉴别法、透射反射法研究较多，但是其它办法的研究相对较少，需要对这些办法进行进一步研究以提高这些办法的鉴定精确度及信服度。参考文献：[1]胡建平、陈松林、赵春茁等.光学薄膜的激光损伤阈值测量[J].中国科协年会论文集（下册）,[2]JuergenBecker,AchimBernhardt.ISO112