CN104296969B - 一种激光损伤阈值标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光损伤阈值标定方法,包括:在三波长高反射薄膜镀制中,由三种尺寸SiO2颗粒结合吸收性金属Hf膜层制备均匀分布的混合型节瘤缺陷;利用此类节瘤缺陷尺寸大、粒径和空间分布均匀、激光损伤特性一致性好的优点,在光栅扫描激光损伤阈值测试中以此类节瘤缺陷为标准样品,统计性测量一定面积内90%节瘤缺陷喷溅时的损伤阈值;对不同激光损伤阈值测试系统的测量结果进行最小二乘法拟合,拟合直线的斜率和截距为激光损伤阈值标定参数。与现有技术相比,本发明具有判定简单准确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元件激光损伤阈值的测试方法,尤其是涉及一种激光损伤阈值标定方法。
背景技术
为了深入研究高损伤阈值光学元件的损伤机制、准确评价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,从而指导高损伤阈值光学元件制备工艺的优化和改进。
目前,在损伤阈值测量过程中,一方面为更加客观的反应元件的宏观激光损伤性能,通常选取尽可能大的测量区域,因此光栅扫描激光损伤阈值测量方式近年来被广泛采用,测量中,一般采用工作频率为10Hz的脉冲式Nd:YAG激光器;另一方面,不断提高测量过程中对各种参数、损伤信息的实时监测精度,损伤阈值从相对测量不断向绝对测量方向发展。
然而,激光参数的不同,如光束直径、光束调制度、脉冲宽度、重复频率等,损伤点监测精度、损伤的定义等因素都将导致测量结果存在明显偏差,因此,不同实验室之间的测量结果通常无法直接从数值上进行比较;此外,即使同一套测量系统,受外部环境和仪器运行状态影响,在不同时间段的测量结果也往往无法直接比对。为解决上述问题,一般会引入参考样品,通过参考样品的损伤阈值进行相对比较。但由于激光损伤的复杂性和瞬态性,同一块样品或同一批次样品,其损伤阈值测量结果通常具有较大的波动,甚至相差数倍。因此,上述问题始终限制着不同激光损伤阈值测试系统测量结果的直接比较。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术困难而提供一种简单、准确的激光损伤阈值标定方法。
本发明提出的一种激光损伤阈值标定方法,所述的标定方法具体包括以下步骤:
(1)在三块光学基板上分别均匀旋涂三种尺寸SiO2颗粒,直径为d 1 、d 2 和d 3 ;
(2)将步骤(1)所得的三块光学基板分别放入电子束蒸发式镀膜机内,在SiO2颗粒上镀制一层金属Hf薄膜,厚度为d ;
(3)利用电子束蒸发式镀膜机镀制厚度为D 的三波长高反射薄膜,获得三块标准光学样品;
(4)采用两套激光损伤阈值测试系统,分别对三块光学样品进行激光损伤阈值测试,在第一套激光损伤阈值测试系统上,采用光栅扫描方式对三块光学样品进行激光损伤阈值测试,测得激光损伤阈值X 1 、X 2 和X 3 ;在第二套激光损伤阈值测试系统上,采用光栅扫描方式对三块光学样品进行激光损伤阈值测试,测得激光损伤阈值Y 1 、Y 2 和Y 3 ;
(5)对三块光学样品在步骤(4)所述的不同激光损伤阈值测试系统中的损伤阈值进行最小二乘法拟合,以第一套激光损伤阈值测试系统的激光损伤阈值X 1 、X 2 和X 3 为横坐标,第二套激光损伤阈值测试系统的激光损伤阈值Y 1 、Y 2 和Y 3 为纵坐标,获得拟合公式Y =a ×X +b ,即a 和b 分别为第一套激光损伤阈值测试系统、第二套激光损伤阈值测试系统的激光损伤阈值标定参数。
本发明中,所述的步骤(1)具体为:
(1.1)选取直径为50毫米的三块熔石英或K9光学基板,双面抛光;
(1.2)利用旋涂法在三块光学基板表面分别旋涂三种尺寸SiO2颗粒,直径d 1 为0.5微米,直径d 2 为1微米,直径d 3 为2微米,密度分布为3-5个 /平方毫米。
本发明中,所述的步骤(2)具体为:
(2.1)将光学基板放入电子束蒸发式镀膜机;
(2.2)控制镀膜机本底真空1×10-3Pa-6×10-3 Pa;
(2.3)镀制金属Hf薄膜,厚度d 为100纳米。
本发明中,所述的步骤(3)具体为:
(3.1)设计三波长正入射高反射薄膜膜系结构,三波长为355、532和1064纳米,入射角为0度,在每个波长处反射率不低于99.5%;
(3.2)控制镀膜机本底真空1×10-3Pa-6×10-3 Pa;
(3.3)镀制三波长高反射薄膜,膜厚D 为8微米,由三种尺寸SiO2颗粒生长而成的节瘤缺陷直径约为2、4和8微米。
本发明中,所述的步骤(4)为:
(4.1)所述第一套激光损伤阈值测试系统和第二套激光损伤阈值测试系统均包括输出频率10Hz的Nd:YAG激光器,用于带动被测样品移动、具有外触发功能的电动平移台,实现暗场照明的光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;
(4.2)不同尺寸SiO2颗粒在覆盖金属Hf并镀制高反射薄膜后将生长为节瘤缺陷,所述激光损伤为节瘤缺陷发生喷溅,所述激光损伤阈值为光栅扫描区域内约90%节瘤缺陷发生喷溅时的激光能量密度;
(4.3)激光损伤阈值测试中,光栅扫描面积为1平方厘米,横向和纵向扫描间距为0.2毫米,测量点数2500个,扫描时间250秒;
(4.4)预扫描被测区域,获得节瘤缺陷分布的数目和密度;
(4.5)激光辐照测试,利用在线显微镜统计节瘤缺陷损伤数目,判定依据为节瘤尺寸变化或出现等离子体闪光,激光起始能量密度为2J/cm2,提升间隔2J/cm2;
(4.6)当节瘤缺陷损伤数目达到约90%时停止测试,误差不超过10%,由此获得激光损伤阈值;对于第一套激光损伤阈值测试系统,三块样品激光损伤阈值为X 1 、X 2 和X 3 ;对于第二套激光损伤阈值测试系统,三块样品激光损伤阈值为Y 1 、Y 2 和Y 3 。
本发明中,所述方法能够对不同尺寸光斑激光损伤阈值测试系统的损伤阈值进行标定;所述方法能够对355、532和1064纳米波长激光损伤阈值测试系统的损伤阈值进行标定。
与现有技术相比,本发明通过三种不同尺寸的SiO2颗粒结合金属Hf薄膜制备出了混合型节瘤缺陷,并利用其较大尺寸、粒径尺寸和空间分布均匀、损伤特性一致性好的优点,在光栅扫描激光损伤阈值测试中以此类节瘤缺陷为标准样品,定义90%节瘤缺陷喷射时的能量密度为激光损伤阈值,由此能够以统计性方法对比并标定不同激光损伤阈值测试系统的测量结果。
附图说明
图1为损伤阈值测量装置的结构示意图;
图2为本发明方法的流程示意图;
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为两套激光损伤阈值测量系统的测试结果拟合图。
图中标号:1为泵浦激光器,2为被测样品,3为电动平移台,4为光源,5为外触发式相机,6为在线显微镜。
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
一种激光损伤阈值标定方法,该方法以高反射薄膜中人工混合型节瘤缺陷为参照,通过统计性测量一定面积内90%节瘤缺陷的损伤阈值,并以此损伤阈值为基准、对不同激光损伤阈值测试系统的测量结果进行校准和标定。
能够进行高反射激光薄膜损伤阈值测量的测试系统,如图1所示,损伤阈值测量的装置包括用于发射泵浦激光10Hz工作频率Nd:YAG泵浦激光器1、用于带动被测样品2移动的、具有外触发功能的电动平移台3、实现暗场照明的光源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。
如图2所示,所述的识别方法具体包括以下步骤:
在步骤s101中,在三块光学基板上分别均匀旋涂三种尺寸SiO2颗粒,直径d 1 、d 2 和d 3 ;分别为0.5微米、1微米和2微米,控制颗粒密度分布约3-5个 /平方毫米;
在步骤s102中,将光学基板放入电子束蒸发式镀膜机,控制镀膜机本底真空1×10-3Pa-6×10-3,在SiO2颗粒上镀制一层厚度d 为100纳米的金属Hf薄膜;
在步骤s103中,设计三波长正入射高反射薄膜膜系结构,三波长为355、532和1064纳米,入射角为0度,在每个波长处反射率不低于99.5%;控制镀膜机本底真空1×10-3Pa-6×10-3,镀制膜厚D 约为8微米的高反射薄膜,由三种尺寸SiO2颗粒生长而成的节瘤缺陷直径约为2、4和8微米;
在步骤s104-1中,在第一套激光损伤阈值测试系统中,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;
光栅扫描如图3所示,电动平移台x 方向总的移动距离S x 为10毫米,移动间隔D x 为0.2毫米,y 方向总的移动距离为S y 为10毫米,移动间隔为D y 为0.2毫米,每个测试点只作用一个脉冲激光,扫描区域面积为1平方厘米,总测量点的数目N 为2500,
N =(S x /D x )×(S y /D y )。
泵浦激光器辐照前,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,具体步骤为:
泵浦激光器发送外触发信号控制电动平移台作光栅轨迹移动,电动平移台接收到外触发信号后移动到下一个测量点并立即停止;泵浦激光器发送外触发信号控制外触发式相机通过在线显微镜对电动平移台每次停止时的被测样品进行拍照,采集图片。
将第(x , y )张图片标记为N 0xy ,图片中节瘤缺陷点的局部坐标记为N 0xy-ab ,全局坐标记为N 0XY ,其中,a 和b 为节瘤缺陷点在第(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)×D x +a
Y=(y -1)×D y +b 。
由此统计待测区域内所有节瘤缺陷点的尺寸、位置和数目信息。
在步骤s104-2中,泵浦激光器辐照被测样品,波长为1064纳米,起始能量密度为2J/cm2,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N 1xy ,图片中节瘤缺陷点的局部坐标记为N 1xy-ab ,全局坐标记为N 1XY 。
在步骤s104-3中,损伤为节瘤缺陷在激光辐照时由于喷溅而出现尺寸变化或伴随等离子体闪光。
判定节瘤缺陷是否发生损伤的具体方法为:
41)当N 0xy-ab 位置存在缺陷点、N 1xy-ab 位置也存在缺陷点,且N 1xy-ab 位置缺陷点尺寸相比N 0xy-ab 位置缺陷点尺寸超过尺寸容差时,判定缺陷发生损伤,损伤由原始节瘤缺陷点引起;
42)当N 0xy-ab 位置存在缺陷点、N 1xy-ab 位置不存在缺陷点时,判定原始缺陷点为表面污染物。
由此统计待测区域内所有节瘤缺陷点损伤的数目,并与总数目比较是否达到90%。
在步骤s104-4中,完成测量区域的光栅扫描测试,被测样品回复到初始位置;
在步骤s104-5中,提高激光能量,提升间隔1J/cm2;重复步骤s104-2至s104-4,直至节瘤缺陷点损伤数目达到90%;
在步骤s104-6中,当节瘤缺陷损伤数目达到约90%时停止测试,误差不超过10%,由此获得三种样品的激光损伤阈值X 1 、X 2 和X 3 ;
在步骤s105-1至s105-6中,在第二套激光损伤阈值测试系统中,重复在第一套激光损伤阈值测试系统的步骤s104-1至s104-6,由此获得三种样品的激光损伤阈值Y 1 、Y 2 和Y 3 ;
在步骤s106中,如图4所示,绘制第一套和第二套激光损伤阈值测试系统的测量结果关系图。以X 1 、X 2 、X 3 为横坐标,其中0.5、1和2微米SiO2颗粒对应节瘤缺陷的损伤阈值为75、40和12J/cm2;以Y 1 、Y 2 、Y 3 为纵坐标,对应节瘤缺陷的损伤阈值为92、51和20J/cm2;
进行最小二乘法拟合,获得拟合公式Y =a ×X +b ,直线斜率a 为1.114和截距b为5.9即为两套测试系统的激光损伤阈值标定参数。
依据上述步骤能够对小尺寸光斑和大尺寸光斑激光损伤阈值测试系统的损伤阈值进行标定。
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 (4)
1.一种激光损伤阈值标定方法,其特征在于,所述的标定方法具体包括以下步骤:
(1)在三块光学基板上分别均匀旋涂三种尺寸SiO2颗粒,直径为d 1 、d 2 和d 3 ;
(2)将步骤(1)所得的三块光学基板分别放入电子束蒸发式镀膜机内,在SiO2颗粒上镀制一层金属Hf薄膜,厚度为d ;
(3)利用电子束蒸发式镀膜机镀制厚度为D 的三波长高反射薄膜,获得三块标准光学样品;
(4)采用两套激光损伤阈值测试系统,分别对三块光学样品进行激光损伤阈值测试,在第一套激光损伤阈值测试系统上,采用光栅扫描方式对三块光学样品进行激光损伤阈值测试,测得激光损伤阈值X 1 、X 2 和X 3 ;在第二套激光损伤阈值测试系统上,采用光栅扫描方式对三块光学样品进行激光损伤阈值测试,测得激光损伤阈值Y 1 、Y 2 和Y 3 ;
(4.1)所述第一套激光损伤阈值测试系统和第二套激光损伤阈值测试系统均包括输出频率10Hz的Nd:YAG激光器,用于带动被测样品移动、具有外触发功能的电动平移台,实现暗场照明的光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;
(4.2)不同尺寸SiO2颗粒在覆盖金属Hf并镀制高反射薄膜后将生长为节瘤缺陷,所述激光损伤为节瘤缺陷发生喷溅,所述激光损伤阈值为光栅扫描区域内90%节瘤缺陷发生喷溅时的激光能量密度;
(4.3)激光损伤阈值测试中,光栅扫描面积为1平方厘米,横向和纵向扫描间距为0.2毫米,测量点数2500个,扫描时间250秒;
(4.4)预扫描被测区域,获得节瘤缺陷分布的数目和密度;
(4.5)激光辐照测试,利用在线显微镜统计节瘤缺陷损伤数目,判定依据为节瘤尺寸变化或出现等离子体闪光,激光起始能量密度为2J/cm2,提升间隔1J/cm2;
(4.6)当节瘤缺陷损伤数目达到90%时停止测试,误差不超过10%,由此获得激光损伤阈值;对于第一套激光损伤阈值测试系统,三块样品激光损伤阈值为X 1 、X 2 和X 3 ;对于第二套激光损伤阈值测试系统,三块样品激光损伤阈值为Y 1 、Y 2 和Y 3 ;
(5)对三块光学样品在步骤(4)所述的不同激光损伤阈值测试系统中的损伤阈值进行最小二乘法拟合,以第一套激光损伤阈值测试系统的激光损伤阈值X 1 、X 2 和X 3 为横坐标,第二套激光损伤阈值测试系统的激光损伤阈值Y 1 、Y 2 和Y 3 为纵坐标,获得拟合公式Y =a×X +b ,即a 和b 分别为第一套激光损伤阈值测试系统、第二套激光损伤阈值测试系统的激光损伤阈值标定参数。
2.根据权利要求1所述的一种激光损伤阈值标定方法,其特征在于,所述的步骤(1)具体为:
(1.1)选取直径为50毫米的三块熔石英或K9光学基板,双面抛光;
(1.2)利用旋涂法在三块光学基板表面分别旋涂三种尺寸SiO2颗粒,直径d 1 为0.5微米,直径d 2 为1微米,直径d 3 为2微米,密度分布为3-5个 /平方毫米。
3.根据权利要求1所述的一种激光损伤阈值标定方法,其特征在于,所述的步骤(2)具体为:
(2.1)将光学基板放入电子束蒸发式镀膜机;
(2.2)控制镀膜机本底真空1×10-3Pa-6×10-3 Pa;
(2.3)镀制金属Hf薄膜,厚度d 为100纳米。
4.根据权利要求1所述的一种激光损伤阈值标定方法,其特征在于,所述的步骤(3)具体为:
(3.1)设计三波长正入射高反射薄膜膜系结构,三波长为355、532和1064纳米,入射角为0度,在每个波长处反射率不低于99.5%;
(3.2)控制镀膜机本底真空1×10-3Pa-6×10-3 Pa;
(3.3)镀制三波长高反射薄膜,膜厚D 为8微米,由三种尺寸SiO2颗粒生长而成的节瘤缺陷直径为2、4和8微米。
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