CN103954625A - 一种面向激光薄膜内部缺陷的溯源性损伤阈值测量技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向激光薄膜内部缺陷的溯源式损伤阈值测量技术，包括：将被测样品进行坐标零点标记，通过电动平移台控制移动，在被测样品不同的制备阶段分别进行全区域扫描；外触发式相机对被测样品的每个位置进行图片采集，并将所有缺陷进行识别、坐标校准、处理分析，获得不同缺陷的引入源头和特征信息；选取被测样品上任意缺陷，在泵浦激光器辐照前后分别由外触发相机拍照，比较两幅图像的差异判断缺陷是否损伤；提升泵浦激光能量，实现不同能量下的测量；提取缺陷在不同制备阶段的特征信息，实现缺陷在全流程工序中的溯源追踪。与现有技术相比，本发明具有对缺陷引入源头、特征尺寸、坐标位置和损伤阈值等信息进行溯源分析的优点。

Description

一种面向激光薄膜内部缺陷的溯源性损伤阈值测量技术

技术领域

本发明涉及一种光学元件抗激光损伤性能的测试方法，尤其是涉及激光薄膜在不同制备阶段所引入缺陷特征信息的溯源分析。 

背景技术

激光薄膜是高功率激光系统中的关键元件，而薄膜的激光损伤阈值是限制强激光技术向高功率、高能量方向发展的重要瓶颈之一。为了深入分析激光薄膜的损伤性能和损伤机制，准确评价光学元件的抗激光损伤能力，需要不断地发展和完善激光损伤阈值的测量技术，提高损伤阈值的测量精度和准确度，从而指导薄膜制备工艺的优化和改进。目前，在损伤阈值测量过程中，广泛采用基于ISO11254-1&2的1-On-1和S-On-1测试方法，以及能够对样品表面大面积覆盖的光栅扫描式损伤阈值测试方法。不同测试方法表征了激光薄膜不同的抗激光损伤能力，反映了元件在实际应用中的使用性能。 

激光薄膜具有强烈的“短板”效应，其损伤性能并不是由其“长板”(材料的本征损伤阈值)决定，而是由其“短板”(缺陷的损伤阈值)决定。激光薄膜在全流程制备工序中，包括基底加工、清洗、镀膜、后处理等，每道工序都将引入不同类型、尺寸和吸收特性的缺陷，不同的缺陷具有不同的损伤阈值，都将显著影响最终的损伤阈值。 

以往激光损伤阈值的测量仅针对激光薄膜本身，其阈值的高低虽然能够发现与不同尺寸缺陷有关，但无法追溯到缺陷的引入源头、初始特征、坐标位置等重要信息。因此，缺乏缺陷信息、溯源分析的损伤阈值测量技术，对激光薄膜制备工艺改进和优化方向的指导作用有限。 

针对通过损伤阈值测试对缺陷特点和源头进行逆向的可溯性分析的需求，急需基于缺陷高精度定位和复位方法的损伤阈值测量技术，通过损伤阈值测试追踪从基板加工到薄膜制备环节引入的缺陷信息。 

发明内容

本发明为了解决上述技术的不足，提供了一种面向激光薄膜内部缺陷的溯源式损伤阈值测量技术。 

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： 

进行损伤阈值测量的泵浦激光、被测样品、电动平移台、照明光源、损伤监控系统、定标装置。 

被测样品首先利用定标装置，在两个角的边缘标记两个校准零点，用于对每次拍摄的全口径图像中的缺陷坐标进行校准和定位。被测样品置于电动平移台上，从而可以调节被测样品的位置；同时，泵浦激光辐射于被测样品上，并有照明光源对于被测样品的表面进行照明，损伤监控系统实时监测被测样品在泵浦激光辐照时的图像。 

所述定标装置为能够在被测样品表面压制出微小压痕的硬度计；所述被测样品由电动平移台控制；所述被测样品为激光薄膜元件，根据全流程制作工序，包括基底加工、清洗、镀膜、后处理四个不同阶段；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缺陷进行溯源式损伤阈值测量，包括下列步骤： 

①利用定标装置在被测样品两个角的边缘标记两个校准零点； 

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做光栅轨迹移动，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置； 

③当被测样品移动到新的位置时，在线显微镜拍摄图像，然后电动平移台控制被测样品移动到下一个位置，横向移动距离为在线显微镜拍摄图像的横向尺寸，纵向移动距离为在线显微镜拍摄图像的纵向尺寸，每次完成对被测样品全口径区域的覆盖； 

④被测样品在基底加工完成阶段，电动平移台做第一次光栅运动，外触发式相机通过电动平移台的移动对被测样品的每个位置进行图片采集；将第(x，y)张图片标记为P_xy，图片中缺陷点的局部坐标记为P_xy-αb，全局坐标记为P_XY，缺陷尺寸标记为P_d-XY，其中，α和b为缺陷点在第(x，y)张图片中的局部坐标，X和Y为以第(1，1)张图片的左上角为原点、缺陷点在整个测量区域的全局坐标;两个校准零点的全局坐标分别标记为P_l和P₂； 

⑤被测样品在清洗完成阶段，电动平移台做第二次光栅运动，外触发式相机通过电动平移台的移动对被测样品的每个位置进行图片采集；将第(x，y)张图片标记为C_xy，图片中缺陷点的局部坐标记为C_xy-αb，全局坐标记为C_xY，缺陷尺寸标记为C_d-XY，其中，α和b为缺陷点在第(x，y)张图片中的局部坐标，X和Y为以第(1，1)张图片的左上角为原点、缺陷点在整个测量区域的全局坐 标；两个校准零点的全局坐标分别标记为C₁和C₂； 

⑥以第一次扫描后两个校准零点坐标P_l和P₂为参照，根据第二次扫描后两个校准零点坐标C₁和C₂的变动，将所有缺陷的全局坐标C_XY修正为C_X’Y’; 

⑦设定位置容差E₁和尺寸容差E₂，将C_X’Y’中每一个缺陷点与P_XY中的所有缺陷点进行逐一比较；设定判定准则，分别根据位置容差和尺寸容差的满足情况，判定缺陷点的类型，包括原有缺陷、新缺陷、生长缺陷和去除缺陷； 

⑧重复上述步骤⑤～⑦，可以实现被测样品全口径区域分别在镀膜完成阶段、后处理完成阶段所有缺陷点的定位和坐标校准，即F_X’Y’和L_X’Y’； 

⑨选定被测样品中待测缺陷，电动平移台将待测缺陷移动到泵浦激光辐照位置，外触发相机拍摄图片D_XY-0，泵浦激光辐照缺陷后，拍摄图片D_XY-l；设定尺寸容差E₃，当D_XY-1中缺陷尺寸与D_XY-0中相同缺陷尺寸的差异超过尺寸容差，则判定损伤，否则判定未损伤； 

⑩选取不同的泵浦激光能量进行辐照，可以获得任意待测缺陷发生损伤时的损伤阈值； 

选取不同的待测缺陷，重复⑨～⑩，可以获得被测样品不同区域所有缺陷在泵浦激光辐照下的损伤阈值； 

提取同一缺陷在基底加工、清洗、镀膜、后处理和损伤阈值测试不同阶段的特征信息，实现缺陷在全流程工序中的溯源追踪。 

与现有技术相比，本发明利用被测样品两个校准零点，实现被测样品在不同制备阶段所有缺陷位置和尺寸信息的记录和校准；并结合原位损伤阈值测试技术，利用在线显微镜对被测样品中选定缺陷在泵浦激光辐照前后图像的差异，获得缺陷的损伤阈值；结合同一缺陷在基底加工、清洗、镀膜、后处理和损伤阈值测试不同阶段的特征信息，实现缺陷在全流程工序中的溯源追踪。 

附图说明

图1为损伤阈值测量装置的结构示意图； 

图2为被测样品校准零点的位置示意图； 

图3为被测样品在电动平移台控制下的运行轨迹示意图； 

图4(a)为激光辐照前，被测样品中待测缺陷D_XY-0图片； 

图4(b)为激光辐照后，被测样品中待测缺陷D_XY-1图片。 

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 

一种面向激光薄膜内部缺陷的溯源式损伤阈值测量技术，该技术将激光薄膜中存在的各类缺陷在不同制备阶段的特征信息与最终损伤性能建立对应关系，提出一种溯源式损伤阈值测量方法。如图1所示，损伤阈值测量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： 

①利用定标装置在被测样品2两个角的边缘标记两个校准零点，如图2所示； 

②将被测样品2固定在电动平移台3，照明光源4对被测样品2进行照明，在线显微镜5对准泵浦激光辐照被测样品2的位置； 

③当被测样品2移动到新的位置时，在线显微镜5拍摄图像，然后电动平移台3控制被测样品2移动到下一个位置。 

电动平移台x方向总的移动距离为S_x，移动间隔为I_x，y方向总的移动距离为S_y，移动间隔为I_y，移动间隔I_x和I_y分别由外触发式相机5拍摄图像的横向尺寸i_x和纵向尺寸i_y决定，图片总数目N为S_x/I_x和S_y／I_y向上取整后的整数乘积。由此实现对被测样品全口径区域的覆盖扫描。 

④被测样品2在基底加工完成阶段，电动平移台3做第一次光栅运动，运动轨迹如图3。外触发式相机5通过电动平移台3的移动对被测样品2的每个位置进行图片采集。 

将第(x，y)张图片标记为P_xy，图片中缺陷点的局部坐标记为P_xy-αb，全局坐标记为P_XY，缺陷尺寸标记为P_d-XY，其中，α和b为缺陷点在第(x，y)张图片中的局部坐标，X和Y为以第(1，1)张图片的左上角为原点、缺陷点在整个测量区域的全局坐标： 

X=(x-1)×I_x+α 

Y=(Y-1)×I_y+b。 

两个校准零点的全局坐标分别标记为P₁和P₂。 

⑤被测样品2在清洗完成阶段，电动平移台3做第二次光栅运动，外触发式相机5通过电动平移台3的移动对被测样品2的每个位置进行图片采集。将第(x，y) 张图片标记为C_xy，图片中缺陷点的局部坐标记为C_xy-αb，全局坐标记为C_XY，缺陷尺寸标记为C_d-XY，其中，α和b为缺陷点在第(x，y)张图片中的局部坐标，X和Y为以第(1，1)张图片的左上角为原点、缺陷点在整个测量区域的全局坐标；两个校准零点的全局坐标分别标记为C₁和C₂。 

⑥以第一次扫描的两个校准零点坐标P₁和P₂为参照，计算第二次扫描后两个校准零点坐标C_l和C₂的变动。C₁相比P_l的变化量为： 

d_x=P_lx-C_lx

d_y=P_1y-C_ly

其中P_1x、P_1y和C_1x、C_1y分别为P₁和C_l点的横向和纵向坐标。 

将C_l与P_l点重合，则C_XY的坐标修正为C_X”Y”： 

C_X”=C_X+d_x

C_Y”=C_Y+d_y

根据P₁、P₂和修正后C_2”三者的坐标关系，计算出P_lC_2”和P_lP₂的夹角θ。此夹角即为以P₁为中心，C_X”Y”偏离P_XY相应各点的角度，由此获得最终的修正坐标： 

C_x=C_x”+rcosθ 

C_Y=C_Y”+rsinθ 

其中r为C_X”Y”中各点与P_l点的距离。 

⑦设定位置容差E₁和尺寸容差E₂，将C_X’Y’中每一个缺陷点与P_XY中的所有缺陷点进行逐一比较： 

1.当C_X’Y’位置存在缺陷点、不超过位置容差的P_XY位置存在缺陷点，并且不超过尺寸容差时，则C_X’Y’位置和P_XY位置缺陷相同； 

2.当C_X’Y’位置存在缺陷点、不超过位置容差的P_XY位置存在缺陷点，但超过尺寸容差时，则C_X’Y’位置缺陷由P_XY位置缺陷生长获得； 

3.当C_X’Y’位置存在缺陷点、不超过位置容差的P_XY位置不存在缺陷点，则C_X’Y’位置缺陷为新出现，由当前工序引入； 

4.当P_XY位置存在缺陷点、不超过位置容差的C_X’Y’位置不存在缺陷点，则P_XY位置缺陷被当前工序去除。 

⑧重复上述步骤⑤～⑦，可以实现被测样品2全口径区域分别在镀膜完成阶段、后处理完成阶段所有缺陷点的定位和坐标校准，即F_X’Y’和L_X’Y’； 

⑨选定被测样品2中坐标为P_XY的待测缺陷，电动平移台3将待测缺陷移动到泵浦激光辐照位置，外触发相机5拍摄图片D_XY-0，泵浦激光辐照缺陷后，拍摄图片D_XY-l。设定尺寸容差E₃，当D_XY-1中缺陷尺寸与D_XY-0中相同缺陷尺寸的差异超过尺寸容差E₃时，则判定损伤，否则判定未损伤。 

⑩如未发生损伤，提升泵浦激光能量再次进行辐照，重复步骤⑨，可以获得任意待测缺陷在发生损伤时的损伤阈值。 

选取不同坐标位置的待测缺陷，重复⑨～⑩，可以获得被测样品2不同区域所有缺陷在泵浦激光辐照下的损伤阈值； 

提取同一缺陷在基底加工、清洗、镀膜、后处理和损伤阈值测试不同阶段的特征信息，实现缺陷在全流程工序中的溯源追踪。 

上述特征信息包括位置坐标、尺寸信息、引入工序和损伤阈值。 

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 (7)

1.一种面向激光薄膜内部缺陷的溯源式损伤阈值测量技术，该方法用于激光薄膜内部缺陷的溯源式损伤阈值测量。

所述的损伤阈值测量的装置包括用于发射泵浦激光的泵浦激光器、用于带动经过位置定标的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，其特征在于，所述的识别方法具体包括以下步骤：

①利用定标装置在被测样品两个角的边缘标记两个校准零点；

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做光栅轨迹移动，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置；

③当被测样品移动到新的位置时，在线显微镜拍摄图像，然后电动平移台控制被测样品移动到下一个位置，横向移动距离为在线显微镜拍摄图像的横向尺寸，纵向移动距离为在线显微镜拍摄图像的纵向尺寸，每次完成对被测样品全口径区域的覆盖；

④被测样品在基底加工完成阶段，电动平移台做第一次光栅运动，外触发式相机通过电动平移台的移动对被测样品的每个位置进行图片采集；将第(x，y)张图片标记为P_xy，图片中缺陷点的局部坐标记为P_xy-αb，全局坐标记为P_XY，缺陷尺寸标记为P_d-XY其中，α和b为缺陷点在第(x，y)张图片中的局部坐标，X和Y为以第(1，1)张图片的左上角为原点、缺陷点在整个测量区域的全局坐标；两个校准零点的全局坐标分别标记为P₁和P₂；

⑤被测样品在清洗完成阶段，电动平移台做第二次光栅运动，外触发式相机通过电动平移台的移动对被测样品的每个位置进行图片采集；将第(x，y)张图片标记为C_xy，图片中缺陷点的局部坐标记为C_xy-αb，全局坐标记为C_XY，缺陷尺寸标记为C_d-XY，其中，α和b为缺陷点在第(x，y)张图片中的局部坐标，X和Y为以第(1，1)张图片的左上角为原点、缺陷点在整个测量区域的全局坐标；两个校准零点的全局坐标分别标记为C₁和C₂；

⑥以第一次扫描后两个校准零点坐标P₁和P₂为参照，根据第二次扫描后两个校准零点坐标C_l和C₂的变动，将所有缺陷的全局坐标C_XY修正为C_X’Y’；

⑦设定位置容差E₁和尺寸容差E₂，将C_X’Y’中每一个缺陷点与P_XY中的所有缺陷点进行逐一比较；设定判定准则，分别根据位置容差和尺寸容差的满足情况，判定缺陷点的类型，包括原有缺陷、新缺陷、生长缺陷和去除缺陷;

⑧重复上述步骤⑤～⑦，可以实现被测样品全口径区域分别在镀膜完成阶段、后处理完成阶段所有缺陷点的定位和坐标校准，即FX’_Y’和L_XY；

⑨选定被测样品中待测缺陷，电动平移台将待测缺陷移动到泵浦激光辐照位置，外触发相机拍摄图片D_XY-0，泵浦激光辐照缺陷后，拍摄图片D_XY-1；设定尺寸容差E₃，当D_XY-1中缺陷尺寸与D_XY-0中相同缺陷尺寸的差异超过尺寸容差，则判定损伤，否则判定未损伤；

⑩选取不同的泵浦激光能量进行辐照，可以获得任意待测缺陷发生损伤时的损伤阈值;

选取不同的待测缺陷，重复⑨～⑩，可以获得被测样品不同区域所有缺陷在泵浦激光辐照下的损伤阈值；

提取同一缺陷在基底加工、清洗、镀膜、后处理和损伤阈值测试不同阶段的特征信息，实现缺陷在全流程工序中的溯源追踪。

2.根据权利要求1所述的定标装置，其特征在于能够在被测样品表面压制出微小压痕的硬度计。

3.根据权利要求1所述的全流程工序，其特征在于，包括基底加工、清洗、镀膜、后处理四个不同阶段。

4.根据权利要求1所述的对被测样品全口径区域的覆盖，其特征在于，电动平移台x方向总的移动距离为S_x，移动间隔为I_x，y方向总的移动距离为S_y，移动间隔为I_y，移动间隔I_x和I_y分别由外触发式相机拍摄图像的横向尺寸i_x和纵向尺寸i_y决定，图片总数目N为S_x/I_x和S_y/I_y向上取整后的整数乘积。由此实现对被测样品全口径区域的覆盖扫描。

5.根据权利要求1所述的将所有缺陷的全局坐标C_XY修正为X_X’Y’,其特征在于，修正坐标的具体方法为：

以第一次扫描的两个校准零点坐标P_l和P₂为参照，计算第二次扫描后两个校准零点坐标C_l和C₂的变动。C_l相比P₁的变化量为：

d_x=P_1x-C_1x

d_y=P_ly-C_1y

其中P_lx、P_ly和C_lx、C_ly分别为P₁和C₁点的横向和纵向坐标。

将C_l与P₁点重合，则C_XY的坐标修正为C_X”Y”：

C_X”=C_X+d_x

C_Y”=C_Y+d_y

根据P_l、P₂和修正后C_2”三者的坐标关系，计算出P₁C_2”和P₁P₂的夹角θ。此夹角即为以P₁为中心，C_x”Y”偏离P_XY相应各点的角度，由此获得最终的修正坐标：

C_x’=C_x”+rcosθ

C_Y’=C_Y”+rsinθ

其中r为C_X”Y”中各点与P₁点的距离。

6.根据权利要求1所述的判定缺陷点的类型，包括原有缺陷、新缺陷、生长缺陷和去除缺陷，其特征在于，设定位置容差E₁和尺寸容差E₂，将C_X’Y’中每一个缺陷点与P_XY中的所有缺陷点进行逐一比较：

1)当C_X’Y’位置存在缺陷点、不超过位置容差的P_XY位置存在缺陷点，并且不超过尺寸容差时，则C_X’Y’位置和P_XY位置缺陷相同；

2)当C_X’Y’位置存在缺陷点、不超过位置容差的P_XY位置存在缺陷点，但超过尺寸容差时，则CX_’Y’位置缺陷由P_XY位置缺陷生长获得；

3)当C_X’Y’位置存在缺陷点、不超过位置容差的P_XY位置不存在缺陷点，则C_X’Y’位置缺陷为新出现，由当前工序引入；

4)当P_XY位置存在缺陷点、不超过位置容差的C_X’Y’位置不存在缺陷点，则P_XY位置缺陷被当前工序去除。

7.根据权利要求3或4所述的特征信息，其特征在于，包括位置坐标、尺寸信息、引入工序和损伤阈值。