CN103949771B - 一种基于特征人工节瘤缺陷的激光预处理技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜激光预处理技术,包括:利用SiO2颗粒或金属颗粒制备出包含不同特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜被测样品;分别测量获得同种类型人工节瘤缺陷在未进行激光预处理和进行激光预处理后的损伤阈值,依据损伤阈值提升的幅度优化激光预处理工序中的初始能量梯度、能量递增梯度和最大能量梯度;在获得单一缺陷最优激光预处理工艺的基础上,进一步研究其它类型缺陷的最优工艺;最终可以根据实际样品中缺陷的类型和尺寸,选择最优的激光预处理工艺,实现实际样品损伤阈值的最大提升。与现有技术相比,本发明针对高反射薄膜中损伤阈值最低、且最容易率先发生损伤的节瘤缺陷,以特征人工节瘤缺陷的损伤阈值提升为标准,能够获得最优激光预处理工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种高反射光学薄膜激光预处理技术,尤其是涉及利用激光预处理技术提高薄膜中节瘤缺陷损伤阈值的方法。
背景技术
光学薄膜的激光损伤问题是影响激光器向更高功率发展的限制性因素之一,而影响光学薄膜激光损伤阈值的因素有很多,包括激光参数、薄膜自身特性以及薄膜制备工艺等。通过改进制备工艺、优化膜系设计、发展新型镀膜材料等手段能够显著提高薄膜的损伤阈值。但当这些方法都已接近最优或通过继续优化上述方法都无法再显著提高损伤阈值或继续优化的成本急剧增加时,为了再次提高薄膜的抗激光损伤能力,国内外的研究人员提出了激光预处理技术。激光预处理是采用低于元件损伤阈值的激光能量对光学元件进行辐照,从而使其抗激光损伤能力提升的一种技术。激光预处理作用机制比较复杂,综合了清洗机制、加热退火机制、缺陷改良机制和电子杂质缺陷机制等,而且不同类型、工艺和工作波长光学元件的最优激光预处理方案并不相同,且预处理效果差异明显。因此在实际应用中,需要根据光学薄膜的不同工艺和类型,深入研究激光预处理作用机制,发展不同激光预处理技术和预处理效果评价方法来进一步提高特定光学薄膜的损伤阈值,以此来满足光学元件在工程上和技术上的要求。
最优激光预处理工艺与高反射薄膜中所包含的缺陷类型有着密切的联系,由于缺陷是导致薄膜最先发生损伤的直接诱因,也是限制损伤阈值提升的“短板”。而以往的工作中,并没有开展针对不同类型缺陷的激光预处理工艺研究。因此,所获得的激光预处理工艺具有较大的不确定性,无法将缺陷损伤和薄膜本征损伤区分开来。鉴于高反射薄膜中的缺陷具有最低的损伤阈值、且最容易率先发生损伤进而生长,利用激光预处理技术提升缺陷的损伤阈值,才能有效地获得具有重复性和价值的激光预处理工艺。
由于高反射薄膜中包含不同类型的缺陷结构,并且离散性大和均匀性差的特点,导致难以针对单一类型或多种类型缺陷开展稳定、重复的激光预处理技术研究。
发明内容
本发明为了解决上述技术的不足,通过引入特征人工节瘤缺陷,提供了一种面向激光薄膜内部缺陷的激光预处理技术。
为达到以上目的,本发明所采用的解决方案是:
一种损伤阈值测量装置,其包括:
进行损伤阈值测量和激光预处理的泵浦激光、被测样品、电动平移台、照明光源、损伤监控系统。
所述被测样品由电动平移台控制;所述被测样品由损伤监控系统实时检测和图像拍摄;所述损伤监控系统由在线显微镜和外触发式相机组成。
利用上述测量装置针对激光薄膜内部人工节瘤缺陷进行激光预处理,获得不同类型节瘤缺陷的损伤性能,包括下列步骤:
①利用旋涂法将不同尺寸的SiO2颗粒或金属颗粒均匀旋涂在基底表面,然后镀制高反射薄膜,由此制备出包含不同特征人工节瘤缺陷的被测样品;
②将被测样品固定在电动平移台,电动平移台控制被测样品移动,在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置;
③泵浦激光对准包含同一类人工节瘤缺陷的被测样品中的一个缺陷,在线显微镜拍摄图像D0-xy,泵浦激光辐照,然后在线显微镜拍摄缺陷在激光辐照后的图像D1-xy;
④设定尺寸容差S1和SD,比较D0xy和D1xy中坐标位置为x和y缺陷的差异,出现超过尺寸容差S1的缺陷点时,判定样品发生初始损伤;出现超过尺寸容差SD的缺陷点时,判定样品发生灾难性损伤;
⑤电动平移台控制样品移动到下一个缺陷点,重复步骤③~④,获得不少于10个同种类型缺陷点在该能量下的初始损伤几率和灾难性损伤几率;
⑥提升激光能量,重复步骤③~⑤,获得同种类型缺陷点在不同能量下的初始损伤几率和灾难性损伤几率,并通过线性拟合的方式获得该类型缺陷的零几率初始损伤阈值F1、以及零几率灾难性损伤阈值FD;
⑦对同类型缺陷进行激光预处理,泵浦激光器未辐照前,电动平移台做光栅扫描运动,外触发式相机在电动平移台每次移动至新位置后都将拍摄一张图片,标记为N0xy;
⑧设定初始激光能量,泵浦激光器辐照样品,电动平移台做光栅扫描运动,外触发式相机在电动平移台每次移动至新位置后都将拍摄一张图片,标记为N1xy;
⑨比较N0xy和N1xy中每个x和y位置下图片的差异,当出现超过尺寸容差SD的损伤点时,判定样品发生灾难性损伤,激光预处理能量过高导致样品损坏;否则,继续进行激光预处理;
⑩设定能量递增梯度,提升激光能量,重复⑦~⑨,可以实现被测样品相同区域在泵浦激光器不同能量下的辐照,完成对该类型缺陷多个能量梯度的激光预处理;
重复③~⑥,对完成激光预处理的缺陷进行损伤阈值检测,分别获得缺陷的零几率初始损伤阈值F’1、以及零几率灾难性损伤阈值F’D;
根据激光预处理后零几率损伤阈值F’1和F’D,相比于未进行激光预处理时零几率损伤阈值F1和FD的提升情况,对初始激光能量、能量递增梯度和最大激光能量进行优化,以获得最强激光预处理效果;
重复③~,获得不同类型缺陷的最佳激光预处理效果;由此,根据实际样品所包含缺陷的类型、以及对零几率初始损伤阈值和零几率灾难性损伤阈值的要求,选择最优的激光预处理工艺,实现实际样品损伤阈值的最大提升。
所述的不同特征人工节瘤缺陷,包括不同横向尺寸、纵向尺寸和吸收特性的人工节瘤缺陷;所述的最优激光预处理工艺,包括初始激光能量、能量递增梯度和最大激光能量。
与现有技术相比,本发明利用人工节瘤缺陷优化激光预处理工艺,从而获得损伤阈值的最大提升。以同种类型人工节瘤缺陷在未进行激光预处理和进行激光预处理前后损伤阈值的差异为参照,优化激光预处理工序中的初始能量梯度、能量递增梯度和最大能量梯度;在获得单一缺陷最优激光预处理工艺的基础上,进一步研究其它类型缺陷的最优工艺;最终可以根据实际样品中缺陷的类型和尺寸,选择最优的激光预处理工艺,实现实际样品损伤阈值的最大提升。
附图说明
图1为损伤阈值测量和激光预处理装置的结构示意图;
图2为零几率损伤阈值拟合数据图;
图3为被测样品在电动平移台控制下的运行轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种基于特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜激光预处理技术,该技术将人工节瘤缺陷引入到激光预处理工艺的优化过程中,通过测量激光预处理前后特征人工节瘤的损伤阈值变化,确定最优激光预处理工艺。
如图1所示,损伤阈值测量和激光预处理的装置包括用于发射泵浦激光的泵浦激光器1、用于带动被测样品2移动的电动平移台3、照明电源4和实时监测并获取被测样品图像的损伤监控组件,所述的损伤监控组件包括在线显微镜6和外触发式相机5。所述的识别方法具体包括以下步骤:
所述被测样品2在镀制薄膜之前,利用旋涂法将不同尺寸的SiO2颗粒或金属颗粒均匀旋涂在基底表面,然后镀制高反射薄膜;由于初始SiO2颗粒或金属颗粒的存在,薄膜在生长过程中将逐步生长为与初始颗粒尺寸相关的节瘤缺陷,并在纵向高度上等高,但在横向尺寸上显著增大,其增大的倍数与膜层厚度成正比。
利用上述测量装置针对激光薄膜内部人工节瘤缺陷进行激光预处理,获得不同类型节瘤缺陷的损伤性能,包括下列步骤:
①利用旋涂法将不同尺寸的SiO2颗粒或金属颗粒均匀旋涂在基底表面,颗粒分布密度约为25个/平方厘米;然后利用电子束蒸发技术镀制高反射薄膜,镀膜过程中,基底上的不同颗粒因薄膜覆盖,逐渐生长成为节瘤缺陷,由此制备出包含不同特征人工节瘤缺陷的被测样品2;
②将被测样品2固定在电动平移台3,电动平移台3控制被测样品2移动,在线显微镜6对准泵浦激光1辐照被测样品2的位置;
③泵浦激光1对准包含同一类人工节瘤缺陷的被测样品2中的一个缺陷,在线显微镜6拍摄图像D0-xy,泵浦激光1辐照,然后在线显微镜6拍摄缺陷在激光辐照后的图像D1-xy;
④设定尺寸容差S1和SD,比较D0xy和D1xy中坐标位置为x和y缺陷的差异,出现超过尺寸容差S1的缺陷点时,判定样品发生初始损伤;出现超过尺寸容差SD的缺陷点时,判定样品发生灾难性损伤;
⑤电动平移台3控制被测样品2移动到下一个缺陷点,重复步骤③~④,获得不少于10个同种类型缺陷点在该能量下的初始损伤几率和灾难性损伤几率;
⑥提升激光能量,重复步骤③~⑤,获得同种类型缺陷点在不同能量下的初始损伤几率和灾难性损伤几率,并通过线性拟合的方式获得该类型缺陷的零几率初始损伤阈值F1、以及零几率灾难性损伤阈值FD;如图2所示,其中横坐标为激光能量,纵坐标为损伤几率,数据点为损伤几率数值,直线为线性拟合曲线,直线与横坐标的交点为零几率损伤阈值;
⑦对同类型缺陷进行激光预处理,泵浦激光1未辐照前,电动平移台3做光栅扫描运动,运动轨迹如图3所示,x方向总的移动距离为Sx,移动间隔为Dx,y方向总的移动距离为Sy,移动间隔为Dy,由此实现泵浦激光对样品的大面积辐照;外触发式相机5在电动平移台3每次移动至新位置后都将拍摄一张图片,标记为N0xy;
⑧设定初始激光能量,泵浦激光1辐照被测样品2,电动平移台3做光栅扫描运动,外触发式相机5在电动平移台3每次移动至新位置后都将拍摄一张图片,标记为N1xy;
⑨比较N0xy和N1xy中每个x和y位置下图片的差异,当出现超过尺寸容差SD的损伤点时,判定样品发生灾难性损伤,激光预处理能量过高导致样品损坏;否则,继续进行激光预处理;
⑩设定能量递增梯度,提升激光能量,重复⑦~⑨,可以实现被测样品2相同区域在泵浦激光1不同能量下的辐照,完成对该类型缺陷多个能量梯度的激光预处理;
重复③~⑥,对完成激光预处理的缺陷进行损伤阈值检测,分别获得缺陷的零几率初始损伤阈值F’1、以及零几率灾难性损伤阈值F’D;
根据激光预处理后零几率损伤阈值F’1和F’D,相比于未进行激光预处理时零几率损伤阈值F1和FD的提升情况,对初始激光能量、能量递增梯度和最大激光能量进行优化,以获得最强激光预处理效果;
重复③~,获得不同类型缺陷的最佳激光预处理效果;由此,根据实际样品所包含缺陷的类型、以及对零几率初始损伤阈值和零几率灾难性损伤阈值的要求,选择最优的激光预处理工艺,实现实际样品损伤阈值的最大提升。
所述的不同特征人工节瘤缺陷,包括不同横向尺寸、纵向尺寸和吸收特性的人工节瘤缺陷;所述的光栅扫描移动间隔为Dx和Dy,由激光光斑90%峰值功率处的直径决定;所述的最优激光预处理工艺,包括初始激光能量、能量递增梯度和最大激光能量
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜激光预处理方法,用于优化高反射薄膜激光预处理工艺、以获得最大的激光损伤阈值提升,该预处理方法利用损伤阈值测量和激光预处理装置进行,
所述的损伤阈值测量和激光预处理装置包括用于发射泵浦激光的泵浦激光器、用于带动高反射薄膜被测样品移动的电动平移台、照明电源和实时监测并获取被测样品图像的损伤监控组件,所述的损伤监控组件包括在线显微镜和外触发式相机,
所述预处理方法包括以下步骤:
①利用旋涂法将不同尺寸的SiO2颗粒或金属颗粒均匀旋涂在基底表面,颗粒分布密度为25个/平方厘米;然后利用电子束蒸发技术镀制高反射薄膜,镀膜过程中,基底上的不同颗粒因薄膜覆盖,逐渐生长成为节瘤缺陷,由此制备出包含不同特征人工节瘤缺陷的被测样品;
②将被测样品固定在电动平移台,电动平移台控制被测样品移动,在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置;
③泵浦激光对准包含同一类人工节瘤缺陷的被测样品中的一个缺陷,在线显微镜拍摄图像D0-xy,泵浦激光辐照,然后在线显微镜拍摄缺陷在激光辐照后的图像D1-xy;
④设定尺寸容差SI和SD,比较D0xy和D1xy中坐标位置为x和y缺陷的差异,出现超过尺寸容差SI的缺陷点时,判定样品发生初始损伤;出现超过尺寸容差SD的缺陷点时,判定样品发生灾难性损伤;
⑤电动平移台控制被测样品移动到下一个缺陷点,重复步骤③~④,获得不少于10个同种类型缺陷点在当前能量下的初始损伤几率和灾难性损伤几率;
⑥提升激光能量,重复步骤③~⑤,获得同种类型缺陷点在不同能量下的初始损伤几率和灾难性损伤几率,并通过线性拟合的方式获得该类型缺陷的零几率初始损伤阈值FI、以及零几率灾难性损伤阈值FD;
⑦对同类型缺陷进行激光预处理,泵浦激光未辐照前,电动平移台做光栅扫描运动,外触发式相机在电动平移台每次移动至新位置后都将拍摄一张图片,标记为N0xy;
⑧设定初始激光能量,泵浦激光辐照被测样品,电动平移台做光栅扫描运动,外触发式相机在电动平移台每次移动至新位置后都将拍摄一张图片,标记为N1xy;
⑨比较N0xy和N1xy中每个x和y位置下图片的差异,当出现超过尺寸容差SD的损伤点时,判定样品发生灾难性损伤,激光预处理能量过高导致样品损坏;否则,继续进行激光预处理;
⑩设定能量递增梯度,提升激光能量,重复⑦~⑨,可以实现被测样品相同区域在泵浦激光1不同能量下的辐照,完成对该类型缺陷多个能量梯度的激光预处理;
重复③~⑥,对完成激光预处理的缺陷进行损伤阈值检测,分别获得缺陷的零几率初始损伤阈值F’I、以及零几率灾难性损伤阈值F’D;
根据激光预处理后零几率损伤阈值F’I和F’D,相比于未进行激光预处理时零几率损伤阈值FI和FD的提升情况,对初始激光能量、能量递增梯度和最大激光能量进行优化,以获得最强激光预处理效果;
重复③~,获得不同类型缺陷的最佳激光预处理效果;由此,根据实际样品所包含缺陷的类型、以及对零几率初始损伤阈值和零几率灾难性损伤阈值的要求,选择最优的激光预处理工艺,实现实际样品损伤阈值的最大提升。
2.根据权利要求1所述的基于特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜激光预处理方法,其特征在于,被测样品在镀制薄膜之前,利用旋涂法将不同尺寸的SiO2颗粒或金属颗粒均匀旋涂在基底表面,然后镀制高反射薄膜;由于初始SiO2颗粒或金属颗粒的存在,薄膜在生长过程中将逐步生长为与初始颗粒尺寸相关的节瘤缺陷,并在纵向高度上等高,但在横向尺寸上显著增大,其增大的倍数与膜层厚度成正比。
3.根据权利要求1所述的基于特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜激光预处理方法,其特征在于,不同特征包括不同横向尺寸、纵向尺寸和吸收特性。
4.根据权利要求1所述的基于特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜激光预处理方法,其特征在于,光栅扫描移动间隔为Dx和Dy,由激光光斑90%峰值功率处的直径决定。
5.根据权利要求1所述的基于特征人工节瘤缺陷的高反射薄膜激光预处理方法,其特征在于,所述的最优的激光预处理工艺包括初始激光能量、能量递增梯度和最大激光能量。
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