CN101526461A - 光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法 - Google Patents

光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法 Download PDF

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Abstract

一种光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法，该方法是用具有一定能量密度的一串序列激光脉冲辐照待测薄膜样品的不同测试点，确定并记录每个测试点的损伤状态，计算出该能量密度下的弱损伤几率；多次改变激光的能量密度辐照待测薄膜样品的不同测试点，确定并记录各测试点的损伤状态，分别计算每个能量密度下的弱损伤几率；以能量密度和弱损伤几率分别为横坐标和纵坐标制作弱损伤几率随激光能量密度的变化曲线，用该几率曲线的损伤几率峰值所对应的能量密度来评价该光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性。该能量密度越大，光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性就越好。本发明使评价光学薄膜产品抗重复频率激光损伤特性的方法更加简单和实用。

Description

光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜的光学性能评价，特别是一种光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法。
背景技术
重复频率激光器在科学研究和工业领域应用十分广泛，其激光输出能量也在不断提高，但是用于重复频率激光器的光学元件尤其是光学薄膜元件的抗激光损伤特性是重复频率激光器输出能量提高的瓶颈因素。一直以来，采用重复频率激光损伤阈值来评价光学薄膜的抗重复频率激光损伤特性，ISO 11254-2标准规定了光学薄膜元件的重复频率激光损伤阈值的测量方法。该测量方法需要首先统计出激光损伤在脉冲次数和能量密度两个维度上的分布。脉冲次数是指在一个脉冲序列中，第一个引起光学元件发生破坏的脉冲在脉冲序列中的次序，记录破坏的脉冲次数需要借助特殊的在线探测设备；而能量密度通过能量计来记录。当激光损伤在脉冲次数和能量密度两个维度上的分布得到后，通过ISO 11254-2规定的损伤特征曲线方法或外推方法获得元件的激光损伤阈值，从而对薄膜元件的抗重复频率激光损伤特性做出评价。
该方法的缺点是：
1.需要借助特殊的在线探测设备来记录损伤发生时的脉冲次序，增加了物质成本，尤其在高重复频率(KHz)的情况下，对在线探测设备的精度要求更加高；
2.损伤特征曲线方法或外推方法等后期数据处理方法较为繁琐，增加了时间成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的缺点，提供一种光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法，该方法使评价光学薄膜产品抗重复频率激光的损伤特性更加简单和实用。
本发明的技术方案如下：
一种光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法，该方法是用具有一定能量密度的一串序列激光脉冲辐照待测薄膜样品的不同测试点，确定并记录每个测试点的损伤状态，计算出该能量密度下的弱损伤几率；多次改变激光的能量密度辐照待测薄膜样品的不同测试点，确定并记录各测试点的损伤状态，分别计算出每个能量密度下的弱损伤几率；以能量密度、弱损伤几率分别为横坐标和纵坐标画图，得到弱损伤几率随激光能量密度的变化曲线，用该几率曲线的损伤几率峰值所对应的能量密度来评价该光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性。该能量密度越大，光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性就越好。
一种光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
①将具有一定能量密度和S个激光脉冲的一串序列脉冲辐照待测薄膜样品的一个测试点，S为大于1的正整数，当该脉冲序列全部辐照完毕后，对该测试点的损伤状态进行确定和记录，损伤状态包括未损伤、弱损伤和强损伤；
②改变测试点，用相同的脉冲序列辐照待测薄膜样品的其他N-1个测试点，N＞15，共得到N个测试点的损伤状态，按以下公式计算出该能量密度下的弱损伤几率：
弱损伤几率＝弱损伤测试点的个数/N；
③改变激光的能量密度，重复步骤①和②，得到其他能量密度下的弱损伤几率；
④以能量密度、弱损伤几率分别为横坐标、纵坐标画图，得到弱损伤几率随激光能量密度的变化曲线，该几率曲线的损伤几率峰值所对应的能量密度，即表征该光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性：该能量密度越高，光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性就越好。
所述的S≥5，所述的N≥20。
所述的S和N对于不同的样品应取相同数值，测试结果之间才具有较好的比较意义。
所述的未损伤，弱损伤和强损伤的具体定义，可以根据实际条件自行制定，同一个定义下的测试结果之间才具有较好的比较意义。
本方法与传统的采用重复频率激光损伤阈值的评价方法相比，具有以下优点：
1、不需要特殊的在线探测设备来记录损伤发生时的脉冲次序；
2、测试方法简单易行。
附图说明
图1是本发明光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的测试装置示意图
图2是应用本发明的测量方法得出的样品a的弱损伤几率曲线
图3是应用本发明的测量方法得出的样品b的弱损伤几率曲线
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的测试装置的示意图，图中：1是He-Ne激光器，2是1064nm重复频率固体脉冲激光器(重复频率为5Hz)，3是激光功率计，4是显微探测器，5是二维移动样品台，6是聚焦透镜，7是激光能量调节器，8是控制电脑，9和10是632.8nm反射镜，11是高透@632.8nm/高反@1064nm镜片，12是1064nm反射镜，13是1064nm低反射镜。按图1搭建本发明光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的测试装置。
实施例测试样品：
样品a和样品b，均为1064nm减反射膜。按照ISO 11254-2规定的方法测试，测试结果是：样品a的激光损伤阈值为6.6J/cm2，样品b的激光损伤阈值为3.6J/cm2，说明样品a的抗重复频率激光损伤特性优于样品b。
1064nm重复频率固体脉冲激光器2产生的激光脉冲依次经过激光能量调节器7，反射镜12，透反射镜11后，再经过聚焦透镜6后汇聚为辐照位于样品台5上的薄膜样品的高斯光束，该高斯光束照射到所述的薄膜样品表面的光斑的直径为575nm，能量密度由激光功率计3记录的脉冲能量除以光斑面积得到。1064nm低反射镜13用来反射一小部分脉冲能量进入激光功率计3。对1064nm低反射镜13来说，透过的脉冲能量和反射的脉冲能量之比是恒定的，通过激光功率计3测量反射脉冲的能量间接得知辐照在薄膜样品上的脉冲能量。
He-Ne连续激光器1为照明光源，其发出的可见光(632.8nm)，依次经过反射镜9和反射镜10后，在高透@632.8nm/高反@1064nm的透反镜11处与1064nm重复频率固体脉冲激光器2产生的激光脉冲共线，再通过聚焦透镜6和1064nm低反射镜13，照射在薄膜样品(置于样品台5上)表面。薄膜样品在激光脉冲的作用下产生的损伤点或损伤破斑，会对该照明光产生散射作用，这样，显微探测器4通过测量薄膜样品表面的散射光来确定损伤状态。调节二维移动样品台5可以改变对待测薄膜样品的不同测试点进行辐照和测量。激光能量的调节和记录、激光脉冲的开和关、二维移动平台的调节均可由控制电脑8来自动控制。显微探测器4产生的样品测试点的显微图像也由控制电脑8显示，用肉眼对损伤状态做出判断。
本实施例对未损伤，弱损伤和强损伤的定义如下：
未损伤定义：没有出现任何损伤点(直径小于5微米)和损伤破斑(直径20微米以上)；
弱损伤定义：只出现损伤点，且损伤点的数目少于3个；
强损伤定义：出现不少于3个损伤点或出现损伤破斑。
测量过程：
本实施例选择20个激光脉冲为一串激光脉冲序列(即S＝20)来辐照薄膜样品的一个测试点，当包含20个激光脉冲的序列全部辐照完毕后，由显微探测器4在照明光源1的辅助下检测该测试点的损伤情况，并按上面对未损伤、弱损伤和强损伤的定义进行归类和记录。相同能量密度的脉冲序列辐照25个测试点(即N＝25)，得到25个测试点的损伤状态，通过公式：弱损伤几率＝弱损伤测试点的个数/25得到该能量密度下的弱损伤几率。
调节激光功率计7改变激光能量重复以上过程，得到不同能量密度下的弱损伤几率。
以能量密度、弱损伤几率分别为横坐标、纵坐标，将测量结果展现在一张图上，对样品a和样品b分别得出如图2和图3的弱损伤几率曲线。
测量结果：
由图2和图3看出，样品a和样品b的弱损伤几率曲线的峰值所对应的激光能量密度分别为22.9J/cm2和20.1J/cm2，按本发明评价方法说明：样品a的抗重复频率激光损伤特性优于样品b，该结论与传统的应用ISO 11254-2方法得出的结论相同。这表明本发明方法与传统的光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法具有相同的技术意义。
实施注意事项：
1、本发明不对S、N的具体数值做强制规定。原则上，应满足S≥5，N≥20。
2、S、N的取值越大，测量的重复性越好。
3、S和N取相同数值时，测试结果之间才具有比较意义。
4、未损伤、弱损伤和强损伤的具体定义，可以根据实际条件自行制定。同一个定义下的测试结果之间才具有比较意义。

Claims (5)

1、一种光学薄膜抗重复频率激光损伤特性的评价方法，该方法是用具有一定能量密度的一串序列激光脉冲辐照待测薄膜样品的不同测试点，确定并记录每个测试点的损伤状态，计算出该能量密度下的弱损伤几率；多次改变激光的能量密度辐照待测薄膜样品的不同测试点，确定并记录各测试点的损伤状态，分别计算出每个能量密度下的弱损伤几率；以能量密度、弱损伤几率分别为横坐标和纵坐标画图，得到弱损伤几率随激光能量密度的变化曲线，用该几率曲线的损伤几率峰值所对应的能量密度来评价该光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性，该能量密度越大，光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性就越好。
2、根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①将具有一定能量密度和S个激光脉冲的一串序列脉冲辐照待测薄膜样品的一个测试点，S为大于1的正整数，当该脉冲序列全部辐照完毕后，对该测试点的损伤状态进行确定和记录，损伤状态包括未损伤、弱损伤和强损伤；
②改变测试点，用相同的脉冲序列辐照待测薄膜样品的其他N-1个测试点，N＞15，共得到N个测试点的损伤状态，按以下公式计算出该能量密度下的弱损伤几率：
弱损伤几率＝弱损伤测试点的个数/N；
③改变激光的能量密度，重复步骤①和②，得到其他能量密度下的弱损伤几率；
④以能量密度、弱损伤几率分别为横坐标、纵坐标画图，得到弱损伤几率随激光能量密度的变化曲线，该几率曲线的损伤几率峰值所对应的能量密度，即表征该光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性：该能量密度越高，光学薄膜抗重复频率激光损伤的特性就越好。
3、根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于所述的S≥5，所述的N≥20。
4、根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于所述的S和N对于不同的测试样品应取相同数值，测试结果之间才具有较好的比较意义。
5、根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于所述的未损伤、弱损伤和强损伤的具体定义，可以根据实际条件自行制定，同一个定义下的测试结果之间才具有较好的比较意义。
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