激光薄膜损伤阈值的检测

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1、几种光学薄膜激光损伤阈值测量方法的介绍与探讨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他光学元件一般具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， 准确的测量薄膜的激光损伤阈值成为了当前亟需解决的难题。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、等离子体闪光判别等几种判断薄膜损伤方法的原理。 可为薄膜激光损伤阈值的测试提供参考与借鉴。2.

2、几种损伤阈值测量方法的介绍当前主流的测量方式有 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 1 所示，只是在激光辐照到样品表面时而采取不同的方式。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， 2 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合适的大小，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以确定光斑大小。2.1 1-on-1测量方法 2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， 为了保证各个点之间不相互影响， 应

3、使得两个点之间的距离为样品表面处理光斑直径的 3 倍以上（如图二） ，辐照完后计算出该功率下的损伤几率， 然后用相同的方法进行下一个功率的辐照。 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，利用最小二乘法原理，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方法应用较为普遍， 它得到的损伤阈值也较为准确， 但是该方法测量面积较大， 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 3 ，该测试方法也不能满足。2.2 S-on-1测量方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（可以为 1,10,10

4、0,1000等） 次 （若不到 S 次就发生损伤则应立即移动至下一个测试点） ，为保证各个点之间不相互影响，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， 然后用相同的方法进行下一个功率的辐照。 然后同1-on-1 方法拟合出功率密度与损伤几率的关系，进而得到损伤阈值。该方法相对来说更加符合日常实际情况， 所以也是一种比较常用的测量方法。同 1-on-1 法，该方法也无法得到阈值的分布情况。2.3 R-on-1 测量方法测量过程中通过改变衰减器， 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个点 （两点之间的距离一

5、般也为样品上光斑直径的 3 倍） ，记录下发生损伤时激光能量的密度 F 1与前一个为发生损伤时的激光能量密度 F 2 。分别求出各个点的 F 1与 F 2 的平均值，即为该点的损伤阈值，再将所有测试点的损伤阈值求平均，即可认为是该样品的损伤阈值。该方法能够得到较多的数据，能够分析整个光学原件的均匀性，但是由于激光预处理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取一定的区域进行多个能量梯度的光栅式多脉冲扫描， 扫描间距一般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， 若出现了损伤则记录下此时激光能量密度 F 1与前一个未损伤时的

6、激光能量密度 F 2 。阈值的确定于 R-on-1 相似。该方法由于需要测量的面积较大， 所需时间较长， 且由于存在激光预处理效应，从而会使得激光损伤的阈值也有所增加。2.5 各种方法的比较图三 4 为不同光斑下各种测量方法下的 1-on-1， S-on-1 与 R-on-1的损伤阈值曲线图，表一 4 为损伤阈值的测量结果。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结果以上数据得 R-on-1光栅扫描 1-on-1S-on-1 。理论分析如下：由于存在激光预处理效应， R-on-1 与光栅扫描法得到的损伤阈值会比 S-on-

7、1 与 1-on-1 得到的阈值大。 由于光栅扫描法扫描的范围比较大， 因此其更容易辐照到缺陷等阈值极低点， 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导致损伤，因此 S-on-1 又比 1-on-1 大。可见，理论与实验符合的较好。3 几种判断样品损伤的探测方法国际标准（ ISO 11254 2 ）对损伤的定义为用规定的检验技术能够观测到样品表面特征的任何激光诱导的变化。 本节主要介绍了几种常见的判断薄膜损伤与否的探测方法，主要包括相称显微镜观察法、图像处理法、等离子体闪光法、反射光能量判别法、光斑形变法、透射反射扫描法、散射

8、光判别法、光热信号判别法、光声信号判别法、雾气法。主要总结了这些方法的原理，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，具有振幅与位相，当其通过介质时，它的位相与振幅变会发生一定的变化。 通过观察光强即可知道振幅的变化， 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， 利用特殊的空间滤波器， 把不能直接观测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，可以看到150nm级微观图像。因此根据国际标准 ISO 11254，用放大倍数 100 至 150 倍（一般推荐 1

9、50 倍）的 Nomarski 相称显微镜观察辐照前后形貌的变化，从而定义是否有损伤发生。 图四 5 为用显微镜观察下的几种典型的损伤形貌。图四 显微镜观察下的几种典型损伤形貌该种方法虽然为 ISO 规定的一种方法， 但是由于需要人眼直接观察判断是否有损伤， 对于比较明显的损伤测试准确， 但是对于比较弱的损伤则没法探测或是误差较大。除了这种方法， 还可以用扫描电子显微镜、 激光诱导荧光显微镜6 和粗糙度进行观测薄膜表面是否发生损伤，原理基本与相称显微镜相似，在此不做详细表述。3.2 图像处理法该方法的出现时为了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

10、镜处放一 CCD，从而在阈值测量实验过程中可以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 等离子体闪光判别法当辐照到薄膜样品表面的激光功率较大 （ 109 W/cm2 ） 时 6 , 薄膜的吸收系数不再为常数， 又由于激光作用时间短， 薄膜来不及热传导，在入射点处，薄膜温度迅速上升，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

11、单位膜面积的薄膜作用力可达到107 N/m2 ） 7 ，从而发生不可逆的变化。等离子体闪光一般采用的方法是在薄膜及元件表面附近放置一个光电探测器，如图五（ a）所示，当发生闪光时，光电探测器将输出一个电平信号，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个电平信号，从而导致误判。然而光谱峰值位判别法 8 则可以消除这种误判，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记录下来，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异， 一旦薄膜发生

12、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， 因此可以消除因为大气闪光而造成的误判。图五 等离子体闪光探测法原理图（原型及改进型）等离子体闪光法是一种较常用的方法，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， 在薄膜熔点以下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情况下 （如激光热应力破坏） ，不会有等离子体的产生，此时若再用此方法则无法探测已经产生的损伤。3.4 散射光判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收。当用

13、弱光探测时，吸收对光强的作用可以忽略不计， 散射起主要作用。 散射光判别法就是利用散射引起探测光的减弱来检测薄膜表面是否有损伤的一种方法。图六 散射光判别法原理图图六为散射光判别法原理图， 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。一般认为当作用点的反射光能量变化达到 10%时，就可认为发生了损伤9 ，但这一判据受测试条件以及薄膜种类影响较大，在具体检测过程中还有实验确定判据的需要。3.5 透射反射扫描法由于激光损伤的物理实质为改变了光学薄膜的物质结构， 从而影响了薄膜的光学性

14、能，因此测出透射、反射比，将辐照前后结果比较后即可判断损伤是否发生。图七 透射反射法原理图图七为透射反射法的原理图，诊断激光的波长为 1.06um， D1、D2、 D3三个探测器分别测量出分束光功率 P1 、样品反射光功率 P2 和样品透射光功率 P3 。由数学运算可得)-/-p 101303r PpaP （）（)a(p/p 101202t PP ）（)/)(a 303101 PPPP （式中 r 为透射比， t 为反射比， P1、 P3为无样品时 D1、 D3 探测到的光强， P10 、 P20 、 P30 为诊断激光未开时 D1、 D2、 D3 所探测到的背景光强。 p1、 p 2 、 p

15、 3 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。实验结果表明，透射反射扫描法可以很好的反应损伤的发生情况， 能够发现某些显微镜所不能发现的损伤， 并且该方法原理和结构都比较简单， 便于实际应用与在线实时检测。 但是一般透射比反射比为波长的函数， 所以在用此方法时尽量选用薄膜工作波长的诊断激光进行检测。3.6 声光法此方法为 1988 年西德的柏林大学提出的方法， 也是目前 LLNL实验室采用的方法。 由于激光照射到光学表面时， 光学表面会产生反射声波， 声光法就是利用反射的声波对探针光的扰动而探

16、测损伤光斑的大小，原理 10 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个脉冲抖动， 由脉冲抖动的幅度大小可以判断损伤的发生于损伤斑的大小。该方法的探测精度可以达到 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， 从而实时记录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改变且波幅急剧增大而得出定性的损伤判据。该方法可以实时探测薄膜损伤情况， 并且根据声波波形特点及频率可以更加准确的区分薄膜表面的热弹性效应和击穿空气等其他容易造成误判的情况。在许多