CN104977303A - 面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，包括：建立微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统；将金属颗粒旋涂在光学基板表面，再镀制与光学基板质地类似的不同厚度的薄膜，等效将吸收性缺陷植入在光学基板的不同深度位置；利用所述成像系统拍摄相同深度位置缺陷在不同时间阶段、不同深度位置缺陷在同一时间阶段的损伤行为，建立不同深度位置缺陷的损伤行为判定标准；对实际光学基板进行缺陷深度检测，并与建立的不同深度位置缺陷损伤行为判定标准进行比对，实现吸收性缺陷的深度位置检测。与现有技术相比，本发明能对缺陷损伤特征、所在深度位置和损伤阈值等信息进行分析，具有识别精度高、实现简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及透射型光学元件领域，尤其是涉及一种面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法。
背景技术
透射元件在激光加工、激光武器以及高功率激光系统等领域有着广泛的应用，是光学系统中必不可少的基本元件。而随着激光器输出能量的不断提高，其激光诱导破坏问题已成为制约强激光技术进一步发展的关键因素，也是限制激光技术向高能量、高功率方向发展的薄弱环节。由脆性材料熔石英研磨、抛光而成的、应用于紫外波段的透射元件，在其制备过程中不可避免地会引入表面和亚表面缺陷，即使是纳米尺度的强吸收性杂质都可能成为紫外波段激光破坏的主要诱因和元件使用寿命的短板。
虽然国内外许多单位在光学检测和制造技术上具有领先优势，当前依然未能完全解决缺陷诱导透射元件的激光损伤问题，特别是三倍频透射元件的频繁损坏仍然是当前主要的瓶颈问题之一。许多单位在提升检测精度和寻找新的检测方法的同时，也在探索表面后处理技术和CO2激光预处理技术来有限度降低潜在限制性和不稳定缺陷发生灾难性损伤的风险，但这些改善和辅助方法的适用性和有效性仍然取决于前期光学加工的质量。因此，对影响损伤性能的限制性缺陷的识别和诊断，是指导元件加工工艺优化和改进的直接反馈、是提升元件激光损伤性能的前提。透射元件发生激光损伤的诱因非常复杂，与缺陷类型、缺陷深度和激光能量密切相关。因此，需要发展直接与损伤性能联系的缺陷检测技术，对诱导元件损伤的缺陷特征和位置深度进行识别和诊断，进而分析缺陷的引入源头和去除工艺，从而提高透射型光学元件的抗激光损伤性能。
发明内容
本发明为解决上述技术的不足，提供了一种识别精度高、实现简单的面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，该方法是针对诱导透射型光学基板损伤的吸收性缺陷深度位置的检测，包括以下步骤：
①基于泵浦探测技术，建立微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统；
②将金属颗粒旋涂在光学基板表面，再镀制与光学基板质地类似的不同厚度的薄膜，等效将吸收性缺陷植入在光学基板的不同深度位置；
③利用所述成像系统拍摄相同深度位置缺陷在不同时间阶段、不同深度位置缺陷在同一时间阶段的损伤行为，提取缺陷发生损伤后的特征信息，建立不同深度位置缺陷的损伤行为判定标准；
④对实际光学基板进行缺陷深度检测，拍摄其损伤行为，并与建立的不同深度位置缺陷损伤行为判定标准进行比对，实现对诱导光学基板损伤的吸收性缺陷的深度位置检测。
所述步骤①建立的微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统包括泵浦激光器、长工作距离显微镜和用于调节光路径的调节组件，该成像系统工作时，泵浦激光器同时发出一束泵浦光和一束探测光，所述泵浦光直接照射在光学基板上，所述探测光经调节组件后照射在光学基板后进入长工作距离显微镜，所述泵浦光为3-10ns脉宽的355nm激光，探测光为3-10ns脉宽的532nm激光。
所述调节组件包括依次设置的一355nm透射、532nm反射的分光镜和两532nm反射镜。
所述步骤②具体为：
21)将尺寸为5-50nm的金属颗粒旋涂在光学基板上；
22)利用电子束蒸发技术分别镀制与光学基板质地类似的不同厚度的薄膜，制备出多类样品，所述厚度包括1μm、2μm、3μm、4μm和5μm。
所述步骤③具体为：
31)泵浦激光器同时发出一束泵浦光和一束探测光；
32)从低能量开始，逐步增加泵浦光激光能量，直至光学基板发生损伤；
33)调节探测光相对于泵浦光的时间延迟T1，获得光学基板在T1为0～20ns时间范围产生的初始损伤；
34)依次执行步骤31)-33)，分别拍摄不同尺寸缺陷在在等效植入不同深度位置后在不同时间延迟的初始损伤行为；
35)对比分析缺陷初始损伤行为的差异性；
36)依据在不同深度位置吸收性缺陷的损伤特性，建立不同深度位置缺陷损伤行为判定标准。
所述损伤行为判定标准包括：激光能量、延迟时间T1、初始损伤横向尺寸、初始损伤纵向尺寸、吸收性缺陷尺寸和吸收性缺陷深度位置。
与现有技术相比，本发明基于泵浦探测技术，建立亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统；并通过调节探测光到达被测样品的空间距离获得特定的时间延迟，从而得到在特定的时间延迟下样品的损伤行为；并制备含有不同植入深度的吸收性缺陷的基板，分析归纳不同深度吸收性缺陷的损伤特性，实现吸收性缺陷深度信息的精确检测。
本发明以三倍频透射元件为研究对象，利用纳秒时间分辨的泵浦探测成像技术，探索缺陷诱导激光损伤过程中初始破坏结构在纳秒时间尺度的特征和生长规律；依据不同深度缺陷诱导损伤行为的差异，提出一种能够对损伤源位置深度进行微米精度识别的检测方法，这一检测方法对光学元件的加工工艺的改进有重要的作用。
附图说明
图1为本发明建立的微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统的结构示意图；
图2为吸收性金属颗粒植入光学基板制备过程示意图；
图3(a)为光学基板损伤前图像；
图3(b)为吸收性金属颗粒诱导光学基板损伤后的瞬态图像。
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
本实施例提供一种面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，是针对诱导透射型光学基板损伤的吸收性缺陷深度位置的检测，基于泵浦探测技术，建立亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统；并通过调节探测光到达被测样品的空间距离获得特定的时间延迟，从而得到在特定的时间延迟下样品的损伤行为；并制备含有不同植入深度的吸收性缺陷的基板，分析归纳不同深度吸收性缺陷的损伤特性，实现吸收性缺陷深度信息的检测。
本实施例方法包括以下四个方面：
①基于泵浦探测技术，建立微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统，结构如图1所示，包括泵浦激光器1、长工作距离显微镜5和用于调节光路径的调节组件，该成像系统工作时，泵浦激光器1同时发出一束泵浦光2和一束探测光3，泵浦光2直接照射在光学基板4上，探测光3经调节组件后照射在光学基板4后进入长工作距离显微镜5，泵浦光2为3-10ns脉宽的355nm激光，探测光3为3-10ns脉宽的532nm激光。调节组件包括依次设置的一355nm透射、532nm反射的分光镜6和两532nm反射镜7、8。本实施例中，光学基板4采用50mm×50mm×10mm的熔石英基板。
②将金属颗粒旋涂在光学基板表面，再镀制与光学基板质地类似的不同厚度的薄膜，等效将吸收性缺陷植入在光学基板的不同深度位置，如图2所示，具体为：
21)利用去离子水对熔石英基板表面进行清洗，并采用高纯氮气吹干；
22)将尺寸为5-50nm的金属颗粒旋涂在光学基板上，本实施例中，金属颗粒采用Au小球颗粒；
23)利用电子束蒸发技术分别镀制与熔石英基板质地类似的1μm、2μm、3μm、4μm和5μm厚的SiO2薄膜，制备出5类样品；
24)利用去离子水对镀膜后的熔石英基板4表面进行清洗，采用高纯氮气吹干。
③利用成像系统拍摄相同深度位置缺陷在不同时间阶段、不同深度位置缺陷在同一时间阶段的损伤行为，提取缺陷发生损伤后的特征信息，建立不同深度位置缺陷的损伤行为判定标准。
本实施例中，步骤③具体为：
31)泵浦激光器同时发出一束3ns脉宽的355nm泵浦光和一束3ns脉宽的532nm探测光；
32)从1J/cm2开始，以0.1J/cm2梯度逐步增加泵浦光2激光能量，直至熔石英基板发生损伤；
33)调节探测光相对于泵浦光的时间延迟T1，获得光学基板在T1为0～20ns时间范围产生的初始损伤；调节探测光相对于泵浦光的时间延迟通过调节探测光3到达熔石英基板的空间距离实现，每增加30cm为1ns的时间延迟；
34)依次执行步骤31)-33)，分别拍摄不同尺寸缺陷在在等效植入不同深度位置后在不同时间延迟的初始损伤行为，光学基板损伤前后的图像如图3(a)和图3(b)所示；
35)对比分析缺陷初始损伤行为的差异性；
36)依据在不同深度位置吸收性缺陷的损伤特性，建立不同深度位置缺陷损伤行为判定标准，损伤行为判定标准包括：激光能量、延迟时间T1、初始损伤横向尺寸、初始损伤纵向尺寸、吸收性缺陷尺寸和吸收性缺陷深度位置。
④对实际光学基板进行缺陷深度检测，拍摄其损伤行为，并与建立的不同深度位置缺陷损伤行为判定标准进行比对，实现对诱导光学基板损伤的吸收性缺陷的深度位置检测。
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 (6)
1.一种面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，该方法是针对诱导透射型光学基板损伤的吸收性缺陷深度位置的检测，其特征在于，包括以下步骤：
①基于泵浦探测技术，建立微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统；
②将金属颗粒旋涂在光学基板表面，再镀制与光学基板质地类似的不同厚度的薄膜，等效将吸收性缺陷植入在光学基板的不同深度位置；
③利用所述成像系统拍摄相同深度位置缺陷在不同时间阶段、不同深度位置缺陷在同一时间阶段的损伤行为，提取缺陷发生损伤后的特征信息，建立不同深度位置缺陷的损伤行为判定标准；
④对实际光学基板进行缺陷深度检测，拍摄其损伤行为，并与建立的不同深度位置缺陷损伤行为判定标准进行比对，实现对诱导光学基板损伤的吸收性缺陷的深度位置检测。
2.根据权利要求1所述的面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，其特征在于，所述步骤①建立的微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统包括泵浦激光器、长工作距离显微镜和用于调节光路径的调节组件，该成像系统工作时，泵浦激光器同时发出一束泵浦光和一束探测光，所述泵浦光直接照射在光学基板上，所述探测光经调节组件后照射在光学基板后进入长工作距离显微镜，所述泵浦光为3-10ns脉宽的355nm激光，探测光为3-10ns脉宽的532nm激光。
3.根据权利要求2所述的面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，其特征在于，所述调节组件包括依次设置的一355nm透射、532nm反射的分光镜和两532nm反射镜。
4.根据权利要求1所述的面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，其特征在于，所述步骤②具体为：
21)将尺寸为5-50nm的金属颗粒旋涂在光学基板上；
22)利用电子束蒸发技术分别镀制与光学基板质地类似的不同厚度的薄膜，制备出多类样品，所述厚度包括1μm、2μm、3μm、4μm和5μm。
5.根据权利要求2所述的面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，其特征在于，所述步骤③具体为：
31)泵浦激光器同时发出一束泵浦光和一束探测光；
32)从低能量开始，逐步增加泵浦光激光能量，直至光学基板发生损伤；
33)调节探测光相对于泵浦光的时间延迟T1，获得光学基板在T1为0～20ns时间范围产生的初始损伤；
34)依次执行步骤31)-33)，分别拍摄不同尺寸缺陷在在等效植入不同深度位置后在不同时间延迟的初始损伤行为；
35)对比分析缺陷初始损伤行为的差异性；
36)依据在不同深度位置吸收性缺陷的损伤特性，建立不同深度位置缺陷损伤行为判定标准。
6.根据权利要求1或5所述的面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法，其特征在于，所述损伤行为判定标准包括：激光能量、延迟时间T1、初始损伤横向尺寸、初始损伤纵向尺寸、吸收性缺陷尺寸和吸收性缺陷深度位置。
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