CN101718712A - 薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及测试方法 - Google Patents

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本发明涉及一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及利用该装置的测试方法。由于现有测试装置和测试方法存在较大的误差、对各种薄膜材料适应性差。本发明的一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，包括测试组件和处理组件，测试组件包括Nd:YAG激光器、开关档板，第一分束器、聚焦透镜、第二分束器和样片台，光电二极管阵列、会聚透镜、光电探测器件和CCD照相机等，处理组件包括计算机；测试方法包括将测试结果送采用CCD摄像显微判别法等离子体闪光法来判别不同类型薄膜样品是否发生损伤，判别标准是一项显示损伤即确定。本发明的此种结构和测试方法，使得测试误差极小且无误判发生，并且适应性和实用性强。

Description

薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种用于薄膜或光学元件表面激光损伤阈值测试装置技术领域，特别涉及一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及测试方法。
技术背景：
在大功率高能量激光系统中，存在大量的薄膜元件，这些元件的抗激光损伤能力与系统能否正常有效运行密切相关。已有研究表明，薄膜元件在强激光下的破坏完全由元件表面薄膜的抗激光能力所决定。因此，随着高功率激光器应用范围的不断扩大，薄膜抗激光损伤性能的重要性日益突出，以致激光损伤阈值成为光学薄膜元件不可缺少的一项性能指标。薄膜必须具有高的激光损伤阈值已经成为光学元件抗激光性能的瓶颈，解决这一问题对大功率激光系统的应用及激光加固具有重要的意义。而要解决这一问题，关键在于准确测出薄膜的激光损伤阈值，因而对光学薄膜激光损伤阈值的测试也就成为亟待解决的技术问题。在激光损伤阈值测试过程中，如何在线、实时、快速、准确的判别薄膜是否损伤成为研究的核心一环。
多年来，国外对激光与光学介质薄膜损伤过程和阈值测试方法的研究始终是热点之一。2000年，国际标准化委员会颁布了ISO11254-1和ISO11254-2，这是对激光引起光学薄膜损伤而制定的国际标准。但是，直至今日，国内外尚无符合相应国际标准的成型测试仪器和设备，其主要原因在于绝大多数情况下，对薄膜损伤的判别采用相衬显微法，而这种方法主要靠目视来实现，测试效率低，难以实现自动化、智能化及高速测量。
关于薄膜样品的激光损伤阈值计算方式，目前最多使用的有R-on-1和1-on-1两种方式。其中R-on-1损伤测试方式是指对于被测样品上的同一点，用递增的激光能量重复照射样品，直到产生损伤为止。测试时要求初始激光能量远小于样品的损伤阈值，记录下造成样品损伤的脉冲激光能量，即认为是该点的损伤阈值。测出同一样品上多个点的损伤阈值，求出平均值即为被测样品的损伤阈值。该种方法由于要对样品同一点上进行多次激光照射，因此存在激光预处理效应，所以很难测到样品的准确损伤阈值。1-on-1为零几率损伤法，即用同一能量的单脉冲照射m个点，记录下损伤的次数n。则每个能量激光辐照损伤概率P＝n/m。改变能量，再测出该能量下的损伤概率，包括损伤几率为0和100％的能量点。以激光能量为横轴，损伤几率为纵轴，得出损伤几率与激光能量点的分布，再用直线拟合并外推到零损伤几率，所对应的激光能量值即为损伤阈值。
然而，目前存在较大争议的是对于薄膜损伤与否的判别方式，即薄膜发生怎样的变化就认为发生了损伤。目前判别薄膜损伤的方法主要有相衬显微法、散射光强检测法、光声测量法、光热法等，各种判定方法各有其优劣性。其中相衬显微法是国际标准ISO11254所推荐的一种检测方法，这种方法采用放大倍率为100-150倍的Normaski显微镜对激光辐照后的薄膜样片进行观测，以判别薄膜是否发生损伤，这种方法的主观性很强，由于个体视觉的差异，不同的测试者可能得到不同的判别结果，从而导致薄膜激光损伤阈值最终结果失真，而且这种方法工作强度大，测试效率低，难以实现整机系统的自动化；散射光强方法的原理是：当激光以一定的角度斜入射在样品上时，如果表面的反射点处无疵点，则反射光将按几何光学给出的规律反射，若不让反射主光线进入光电接收器，就几乎没有电信号输出。当表面的反射点处不光滑，或被激光照射后产生损伤，则主光线中相当部分能量不能定向，而要产生散射，对应光电接收器就有电信号输出，通过探测光电接收器有无电信号输出，实际上是探测激光辐射前后电信号的变化就可判断激光照射点是否被损伤，此方法消除了人为因素的干扰，但这种方法对于样片表面光洁度不高，表面反射率较低的情下，判别存在较大的误差和误判的现象。同时，当薄膜的厚度不大时，光强散射法的灵敏度也不高。上述这两种方法还存在的共有问题是：对薄膜的种类要求高，适应性差，只有对明确的特定薄膜才能进行测试并给出损伤结果，否则测试结果将存在较大的误差或给出误判的结果，影响使用，比如高反射膜及增透膜损伤后的对比度不同，相衬显微法判别的误差大小也不同；散射光则对于厚度较小薄膜很不明显，这就要求有相应的仪器进行测试，在明确种类后，才能选择合适的方法和设备进行测试，这无疑是很难做到的，增加了大量的测试成本，因此上述方法和设备的应用受到严重制约。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及测试方法，以克服现有技术存在的测试结果存在较大的误差、存在误判可能并且对各种薄膜材料适应性差，因此实用性差的问题。
本发明所提供的技术方案是：一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，包括测试组件和处理组件，其中测试组件包括设置于一条主光轴上的Nd:YAG激光器、开关档板，衰减器，第一分束器、聚焦透镜、第二分束器和样片台，还包括光束分析仪和能量计，其特殊之处在于，测试组件中还包括辅助激光器、光电二极管阵列、会聚透镜、光电探测器件和CCD照相机，其中辅助激光器偏离主光轴设置，其发射光束朝向样片台，所述CCD照相机设置于辅助激光器反射光束与主光轴之间的区域，所述光电二极管阵列位于样片表面法线30～60度的锥角内，所述会聚透镜和光电探测器件依次位于辅助激光器的镜像反射光束上，会聚透镜的中部区域镀制吸光膜，吸光膜覆盖区域应大于辅助激光器输出光斑直径的2倍～5倍，处理组件包括计算机。
上述光电探测器件的空间位置在辅助光束与法线的平面内，且与辅助光线以法线为对称。
上述辅助激光器偏离主光轴45度设置；上述光电二极管阵列位于样片表面法线60度位置。
上述会聚透镜上吸光膜覆盖区域应为辅助激光器输出光斑直径的2倍。
一种利用上述装置的测试方法是，首先利用测试组件中辅助光源(He-Ne激光器)发出激光辐照在样品表面，当测试激光(Nd:YAG激光器)作用于样品表面并引起薄膜损伤后，CCD照相机、光电二极管阵列和光电探测器件同时进行测试，测试结果送采用CCD摄像显微判别法、散射光强法和等离子体闪光法来判别不同类型薄膜样品是否发生损伤，判别标准是一项显示损伤即确定。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、误差极小且无误判发生：本发明将散射光强方法和改进为CCD摄像显微判别法的相衬显微法同时引进，取长补短，更进一步将等离子探测法引入本发明中。离子探测法的机理是基于高功率激光与光学表面相互作用时将离化构成光学表面的物质，从而产生自由电子和离子，即等离子体，目前它被广泛应用于薄膜的光谱分析领域，本发明通过判断光敏元件探测激光与光学表面相互作用时，是否产生等离子体闪光来判断是否存在损伤。同时针对散射光强法进行了改进：因为无论薄膜表面是否损伤，镜像反射方向的光强均最大，因此为了消除镜像反射光的影响而将会聚透镜的中部进行了处理，使中部光线不能通过，而仅仅让周围的散射光均匀透过，这样才可使用光电接收器件准确探测到散射光(薄膜未损伤时无散射光，光电器件则无输出；薄膜损伤后有散射光，光电器件有输出)，即可判别是否在光学表面有损伤的现象。
2、适应性强：本发明所提供的薄膜激光损伤阈值测量装置既可以直观看到激光与物质的作用过程，可以实时看见损伤形貌，又可以探测到薄膜损伤所引起的光学性能变化。适用于各类光学元件及薄膜表面，可用于判别各种类型的薄膜损伤，薄膜的种类范围宽，无论是反射膜、增透膜、薄膜、厚膜均可实现高精度的判别，具有快速、准确、全方位监测的特点，可实现全自动化过程。
3、实用性强：本发明经过详细的理论计算与分析，并进行实验，结果证明该系统不仅可行，而且性能良好。其稳定测量速度快，对薄膜激光损伤阈值的获得可以在100s内完成；灵敏度高，重复性好；可实现智能化。因此在实际工业生产中有广泛的应用前景。
附图说明：
图1为本发明装置的结构示意图。
1-Nd:YAG激光器，2-开关档板，3-衰减器，4-第一分束器，5-聚焦透镜，6-第二分束器，7-辅助激光器，8-光电二极管阵列，9-样片台，10-会聚透镜，11-光电探测器件，12-CCD照相机，13-光束分析仪，14-能量计，15-计算机。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
参见图1，一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，包括测试组件和处理组件。其中测试组件包括设置于一条主光轴上的Nd:YAG激光器1、开关档板2，衰减器3，第一分束器4、聚焦透镜5、第二分束器6、辅助激光器7、光电二极管阵列8、样片台9、会聚透镜10、光电探测器件11、CCD照相机12、光束分析仪13和能量计14。其中辅助激光器7偏离主光轴45度设置，其发射光束朝向样片台9，所说的CCD照相机12设置于辅助激光器7反射光束与主光轴之间的区域；所说的光电二极管阵列8位于样片表面法线60度的锥角内；所说的会聚透镜10和光电探测器件11依次位于辅助激光器7的反射光束上，会聚透镜10的中部区域镀制吸光膜，吸光膜覆盖区域为辅助激光器输出光斑直径的2倍。所说的处理组件包括计算机15。
一种利用上述装置的测试方法是，首先利用测试组件中辅助光源(He-Ne激光器)发出激光辐照在样品表面，当测试激光(Nd:YAG激光器)作用于样品表面并引起薄膜损伤后，CCD照相机12、光电二极管阵列8和光电探测器件11同时进行测试，测试结果采用CCD摄像显微判别法、散射光强法和等离子体闪光法来判别不同类型薄膜样品是否发生损伤，判别标准是一项显示损伤即确定。
在光学薄膜及元件表面激光损伤阈值测量时，准确而快速判别薄膜是否损伤是得到正确结果的关键。该装置的工作过程是：由Nd:YAG激光器1发出的高能量激光(波长1064nm，脉宽12ns，单脉冲能量为400mJ)经过开关档板2，衰减器3，第一分束器4，聚焦透镜5和第二分束器6后，会聚在样品台9上。为了得到稳定输出的激光脉冲，采用开关档板2遮挡住激光器工作刚开始时的输出。衰减器3采用一块起偏器和一块检偏器进行组合的消光方式，以得到不同能量输出的激光能量。第一分束器4和第二分束器6采用100∶1的分光比，使能量计和光束分析仪上得到的光能量较小。聚焦透镜5的作用在于将光斑会聚成0.5mm的光斑，以会聚极高的功率密度作用在薄膜表面。
关于薄膜表面受到激光辐照后，是否发生损伤，采用光电二级管阵列来接收等离子体闪光的光照度，可以提高响应时间及探测的灵敏度。CCD成像系统内安置有一级放大、二级显微的组合光学系统，放大倍率为150倍。用于检测散射光强的光电探测器件11为高灵敏度的硅光电池(或硒光电池)，其前面具有会聚透镜10，作用在于将大发散角的光线会聚于探测器表面，进一步提高探测的灵敏度。在透镜中心镀制吸光膜，用以吸收来自镜像的反射光，从而保证只能探测到散射光。样片台7具有二微精密移动功能，实现测试过程的自动移动。整个系统由计算机进行自动控制，计算机首先对光电二极管阵列8、光电探测器件11的信号进行分析，同时将CCD拍摄的照片实时传递给显示器，并将结果进行图像处理与分析。只要三种信号中任一路判别出薄膜损伤，即认为样品发生了损伤。光电探测器件11的空间位置应该放在辅助光束与法线的平面内，且与辅助光线以法线为对称。
整个系统采用计算机进行自动控制，首先，计算机将指令发送给激光器开始工作，待工作稳定后，控制开关档板的开启来输出脉冲激光。根据标定的衰减器偏转角，调节检偏器角度以保证输出的激光能量符合要求。当脉冲作用后，能量计及光束分析仪实时记录下当前脉冲的能量和光斑的大小，并反馈给计算机。如果三种检测器至少之一发生响应，并将电信号传输给计算机，即认为薄膜表面发生了损伤。计算机进行信息处理后，发送下一个激光脉冲，重复以上过程进行下一个点的测量，直到完成10个能级100个点的测量。
这一过程完全由计算机控制自动实现。计算机系统对这些点进行线性拟合和数据处理，最终得到薄膜的激光损伤阈值，并将拟合结果显示在触摸屏上，还可以从打印机进行输出。
本发明中各种判别方法采用了“与”的逻辑关系，即一个方法判别出损伤发生即认为薄膜已经损坏。由于散射光强法在薄膜厚度较大时比较明显，而等离子体闪光法则对十分薄的膜也很有效，显微观测法虽不受这些影响，但图像处理复杂、判别速率慢，因此只要散射光强法或等离子体闪光法已经判别出薄膜损伤，则不进行图像处理。将这几种方法的有机结合，进一步扩展了损伤判别范围，实现了整个测试系统的智能化、集成化及自动化过程。

Claims (5)

1.一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，包括测试组件和处理组件，其中测试组件包括设置于一条主光轴上的Nd:YAG激光器(1)、开关档板(2)，衰减器(3)，第一分束器(4)、聚焦透镜(5)、第二分束器(6)和样片台(9)，还包括光束分析仪(13)和能量计(14)，其特征在于：测试组件中还包括辅助激光器(7)、光电二极管阵列(8)、会聚透镜(10)、光电探测器件(11)和CCD照相机(12)，其中辅助激光器(7)偏离主光轴设置，其发射光束朝向样片台(9)，所述CCD照相机(12)设置于辅助激光器(7)反射光束与主光轴之间的区域，所述光电二极管阵列(8)位于样片表面法线30～60度的锥角内，所述会聚透镜(10)和光电探测器件(11)依次位于辅助激光器(7)的镜像反射光束上，会聚透镜(10)的中部区域镀制吸光膜，吸光膜覆盖区域应大于辅助激光器输出光斑直径的2倍～5倍，处理组件包括计算机(15)。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，其特征在于：所述光电探测器件(11)的空间位置在辅助光束与法线的平面内，且与辅助光线以法线为对称。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，其特征在于：所述辅助激光器(7)偏离主光轴45度设置；所述光电二极管阵列(8)位于样片表面法线60度位置。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，其特征在于：所述会聚透镜(10)上吸光膜覆盖区域应为辅助激光器输出光斑直径的2倍。
5.一种利用权利要求1所述装置的测试方法，其特征在于：包括下述步骤：
首先利用测试组件中辅助光源(He-Ne激光器)发出激光辐照在样品表面，当测试激光(Nd:YAG激光器)作用于样品表面并引起薄膜损伤后，CCD照相机(12)、光电二极管阵列(8)和光电探测器件(11)同时进行测试，测试结果送采用CCD摄像显微判别法、散射光强法和等离子体闪光法来判别不同类型薄膜样品是否发生损伤，判别标准是一项显示损伤即确定。
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