CN108982072A - 一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统，该系统包括按光路依次放置的激光器、衰减器、分束器、能量计、光束质量分析仪、聚焦透镜、CCD相机、金属膜、光学薄膜、移动平台、扫描电子显微镜和电脑，激光器发出的激光束，经衰减器后到达光束分束器，光束分束器透射方向的激光束经过聚焦透镜到达金属膜，CCD相机记录激光辐照在金属膜表面的光斑位置和辐照在光学薄膜表面时的激光损伤点坐标，扫描电子显微镜记录激光辐照在光学薄膜中缺陷损伤点纵向深度位置，并完成对缺陷损伤点横向能量密度细分与纵向电场归一化处理相结合分析。本发明解决了以峰值能量密度作为缺陷损伤密度所带来的问题，从而提高测试精度。

Description

一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统及测试方法
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统及测试方法。
背景技术
光学薄膜在高功率激光系统中有着广泛的应用，但是光学薄膜的激光损伤问题一直是限制其发展的瓶颈。一个精准的激光损伤阈值不仅为光学薄膜提供了一个安全的使用范围，也是研究如何提高其抗激光损伤能力的前提。
在长脉冲激光辐照下，光学薄膜的激光损伤主要是由光学薄膜中存在的缺陷引起的，其中缺陷引起的激光损伤阈值要远远小于本征损伤所对应的激光损伤阈值。但是国际标准激光损伤阈值测试法是将不均匀分布的缺陷损伤与高斯分布的激光能量密度等效的视作为均匀分布，并将激光峰值能量密度视为光学薄膜激光损伤能量密度。对于光学薄膜而言，其电场分布主要由膜系结构进行调制，在光学薄膜中不同深度的缺陷所受的电场强度也有所不同，而国际标准激光损伤阈值测试法也同样没有对光学薄膜中缺陷损伤所受到的电场影响进行分析。
由于现有的激光损伤阈值测试方法很难保证针对光学薄膜缺陷损伤阈值测试的精度，因此需要发明一种针对光学薄膜在长脉冲激光辐照下的缺陷损伤阈值测试方法。这对评估光学薄膜抗激光的损伤能力以及缺陷研究有着重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统及测试方法，本发明有效地克服了将随机分布的缺陷损伤与高斯分布的能量密度等效的视作为均匀分布，并且均以峰值能量密度作为缺陷损伤密度所带来的问题，从而提高测试精度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值测试系统，该系统包括按光路依次放置的激光器、衰减器、分束器、能量计、光束质量分析仪、聚焦透镜、CCD相机、金属膜、光学薄膜、移动平台、扫描电子显微镜和电脑，所述激光器发出的激光束，经衰减器后到达光束分束器，光束分束器反射方向分别到达能量计和光束质量分析仪，光束分束器透射方向经过聚焦透镜到达金属膜，所述CCD相机记录激光辐照在金属膜表面的光斑位置和辐照在光学薄膜表面时的激光损伤点坐标，所述扫描电子显微镜记录激光辐照在光学薄膜中缺陷损伤点纵向深度位置，
所述的电脑经运动控制卡控制电机驱动器驱动步进电机带动所述的移动平台水平匀速运动；所述的电脑经数据输出卡控制调Q信号输出从而控制所述的激光器激光输出；所述的能量计的输出端连接至电脑的第一输入端，所述的光束质量分析仪的输出端连接至电脑的第二输入端，所述的CCD相机的输出端连接至电脑的第三输入端，所述的扫描电子显微镜的输出端连接至电脑的第四输入端。
所述激光器发出的激光波长1064nm、532nm或355nm。
所述激光脉冲宽度的调整范围为0.2ns～20ns。
所述激光器输出能量调整范围为2J～100J。
所述金属膜为金膜、银膜、铝膜。
所述激光光斑的能量分布为高斯分布。
一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统的测试方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，通过控制衰减器将所述的激光器发出的高斯激光能量调节至0.1J/cm2～0.5J/cm2，利用所述的聚焦透镜使高斯光束聚焦到所述的金属膜表面，并利用所述的CCD相机通过调整其角度和位置，记录下激光光斑在所述金属膜表面的位置；
步骤2，移动所述的移动平台，使所述光学薄膜水平移动至激光光斑位置，通过调整所述的衰减器，将入射激光峰值能量密度由低到高调节至初始发生损伤的激光能量密度Fmax，对所述光学薄膜进行激光辐照，利用所述的CCD相机记录下激光辐照光学薄膜后出现的缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标(xi，yi)，根据入射激光峰值能量密度Fmax和缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标(xi，yi)，得到缺陷损伤点横向上所吸收的激光能量密度Fi，计算公式如下：
式中：
Fi——缺陷损伤点横向上吸收的激光能量密度，单位J/cm2，
Fmax——入射激光峰值能量密度，单位J/cm2，
xi，yi——缺陷损伤点位于激光光斑内横向与纵向上的坐标，单位mm，ωx，ωy——激光光斑横向与纵向的高斯半径，单位mm；
步骤3，利用所述的扫描电子显微镜记录激光辐照在光学薄膜中缺陷损伤点纵向深度d，结合光学薄膜的纵向电场分布，判断出缺陷损伤点初始位置所对应的电场情况，并进行电场归一化处理，结合缺陷损伤点横向的能量密度细分，计算得到光学薄膜内缺陷损伤点对应的激光能量密度，
步骤4，通过利用固定的入射峰值能量密度Fmax对所述的光学薄膜的不同位置处分别进行单脉冲激光辐照，辐照的位置个数根据测试样品的大小进行选择，最后从得到的缺陷损伤能量密度中选取最低的激光能量密度作为光学薄膜的激光损伤阈值。
本发明的测试原理为：针对光学薄膜在长脉冲激光辐照下的缺陷损伤阈值测试方法，具体是在CCD相机中，利用金属膜记录下激光光斑的位置，通过调整移动平台，将光学薄膜水平移动至激光辐照区域，通过调整衰减器，将入射激光峰值能量密度由低到高调节至初始发生损伤的激光能量密度，对所述光学薄膜进行激光辐照，利用CCD相机记录光学薄膜中缺陷损伤点位于激光光斑内的横向坐标情况，根据入射激光峰值能量密度、缺陷损伤点的横向坐标以及激光光斑内的空间能量分布情况，完成对缺陷损伤点横向上所吸收的激光能量密度进行细分，在此基础上，利用扫描电子显微镜对缺陷损伤点的纵向深度进行测量，并结合光学薄膜纵向电场分布，完成对缺陷损伤点的纵向电场归一化处理，从而得到的激光能量密度正是该缺陷发生损伤所吸收的激光能量密度。通过利用固定的入射峰值能量密度对所述的光学薄膜的不同位置处分别进行单脉冲激光辐照，辐照的位置个数根据测试样品的大小进行选择，最后从得到的缺陷损伤能量密度中选取最低的激光能量密度作为光学薄膜的激光损伤阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)、提高光学薄膜激光损伤阈值测试精度。本发明是以缺陷损伤点所吸收的激光能量密度为基准，在横向维度中，将缺陷损伤点在激光光斑内的位置所对应的激光能量密度进行细分，在纵向维度中，将缺陷损伤点所对应的电场分布进行归一化处理，从而有效地克服了将随机分布的缺陷损伤与高斯分布的能量密度等效的视作为均匀分布，并且均以峰值能量密度作为缺陷损伤密度所带来的问题，从而提高测试精度；
2)、具有很高的适用性。本发明可以针对不同材料、不同膜系、不同功能等任一光学薄膜进行激光损伤阈值测试；
3)、可提供更多的缺陷信息：本发明是针对缺陷损伤进行横向能量密度细分与纵向电场归一化处理相结合，因此可以得到缺陷更加全面的信息，这为缺陷分类以及抑制缺陷提供更多帮助。
采用本发明的光学薄膜缺陷激光损伤阈值测试系统及方法，不仅可以解决激光损伤阈值测试中将横向上随机分布的缺陷损伤与高斯分布的激光能量密度等效视为均匀分布，并且纵向上忽略缺陷损伤点所受膜系结构电场影响所带来的问题，提高测试精度，也为研究缺陷分类以及抑制缺陷损伤提供了更多的缺陷信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中测试方法的流程图。
图2是本发明测试系统的结构示意图。
图3是本发明电脑控制框图。
图4是本发明实施例光学薄膜中缺陷损伤点的扫描电镜图。
图5是本发明实施例中缺陷损伤初始位置所对应的电场图。
附图标记：1－激光器，2－衰减器，3－光束分束器，4－能量计，5－光束质量分析仪，6－聚焦透镜，7－CCD相机，8－金属膜，9－光学薄膜，10－移动平台，11－扫描电子显微镜，12－电脑，13－运动控制卡，14－电机驱动器，15－步进电机，16－数据输出卡。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2和图3所示，本实施例光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统，该系统包括按光路依次放置的激光器1、衰减器2、光束分束器3、能量计4、光束质量分析仪5、聚焦透镜6、CCD相机7、金属膜8、光学薄膜9、移动平台10、扫描电子显微镜11和电脑12，所述激光器1发出的激光束，经衰减器2后到达光束分束器3，光束分束器3反射方向分别到达能量计4和光束质量分析仪5，光束分束器3透射方向经过聚焦透镜6到达金属膜8，所述CCD相机7记录激光辐照在金属膜8表面的光斑位置和辐照在光学薄膜9表面时的激光损伤点坐标，所述扫描电子显微镜11记录激光辐照在光学薄膜9中缺陷损伤点纵向深度位置，
所述的电脑12经运动控制卡13控制电机驱动器14驱动步进电机15带动所述的移动平台10水平匀速运动；所述的电脑12经数据输出卡16控制调Q信号输出从而控制所述的激光器1激光输出；所述的能量计4的输出端连接至电脑12的第一输入端，所述的光束质量分析仪5的输出端连接至电脑12的第二输入端，所述的CCD相机7的输出端连接至电脑12的第三输入端，所述的扫描电子显微镜11的输出端连接至电脑12的第四输入端。
作为优选，本实施例中所述激光器1发出的激光波长为355nm，所述激光脉冲宽度为6.9ns。
作为进一步优选，本实施例中激光器输出能量调整范围为2J～100J。
作为进一步优选，本实施例中所述金属膜为金膜。
作为更进一步优选，本实施例中激光光斑的能量分布为高斯分布。
本实施例光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统的测试方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，通过控制衰减器2将所述的激光器1发出的高斯激光能量密度调节至1J/cm2，利用所述的聚焦透镜6使高斯光束以45°入射聚焦到所述的金膜表面，并利用所述的CCD相机7观察位置调整至观察方向与金膜垂直且距金膜10cm的位置，记录下激光光斑的位置；
步骤2，移动所述移动平台10，使所述光学薄膜9水平移动至激光辐照区域，其中光学薄膜9的膜系结构为G/L0.5HL(HL)^14H/A(G：基底、L：二氧化硅、H：氧化铪、A：空气)，通过调整衰减器，将入射激光能量密度由低到高调节至初始发生损伤的激光能量密度Fmax，对所述光学薄膜9进行激光辐照，利用CCD相机7记录下激光辐照光学薄膜9后出现的缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标(xi，yi)，根据入射激光峰值能量密度Fmax和缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标(xi，yi)，得到缺陷损伤点横向上所吸收的激光能量密度Fi，计算公式如下：
式中：
Fi——缺陷损伤点横向上所吸收的激光能量密度，单位J/cm2，
Fmax——入射激光峰值能量密度，单位J/cm2，
xi，yi——缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标，单位mm，
ωx，ωy——激光光斑横向与纵向的高斯半径，单位mm；
其中，入射激光峰值能量密度26.40J/cm2，激光光斑半径ωx为0.58mm，ωy为0.34mm，缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标为(0.1,0.1)，缺陷损伤点横向所吸收的激光能量密度为22.09J/cm2，
步骤3，利用扫描电子显微镜记录激光辐照在光学薄膜中缺陷损伤点纵向深度位置为第4层(如图4所示)，结合光学薄膜纵向电场分布，判断出缺陷损伤初始位置所对应的电场(如图5中A点)，并进行电场归一化处理为0.28，结合缺陷损伤点横向的能量密度细分得到的22.09J/cm2，计算得到光学薄膜内缺陷损伤的激光能量密度为6.19J/cm2。
步骤4，通过利用固定的入射峰值能量密度26.40J/cm2对本实施例所述的光学薄膜50个不同位置处分别进行单脉冲激光辐照，从得到的缺陷损伤能量密度中选取最低的激光能量密度3.28J/cm2作为光学薄膜的激光损伤阈值。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (7)

1.一种光学薄膜缺陷激光损伤阈值测试系统，其特征在于，该系统包括按光路依次放置的激光器(1)、衰减器(2)、光束分束器(3)、能量计(4)、光束质量分析仪(5)、聚焦透镜(6)、CCD相机(7)、金属膜(8)、光学薄膜(9)、移动平台(10)、扫描电子显微镜(11)和电脑(12)，所述激光器(1)发出的激光束，经衰减器(2)后到达光束分束器(3)，光束分束器(3)反射方向分别到达能量计(4)和光束质量分析仪(5)，光束分束器(3)透射方向经过聚焦透镜(6)到达金属膜(8)，所述CCD相机(7)记录激光辐照在金属膜(8)表面的光斑位置和辐照在光学薄膜(9)表面时的激光损伤点坐标，所述扫描电子显微镜(11)记录激光辐照在光学薄膜(9)中缺陷损伤点纵向深度位置，
所述的电脑(12)经运动控制卡(13)控制电机驱动器(14)驱动步进电机(15)带动所述的移动平台(10)水平匀速运动；所述的电脑(12)经数据输出卡(16)控制调Q信号输出从而控制所述的激光器(1)激光输出；所述的能量计(4)的输出端连接至电脑(12)的第一输入端，所述的光束质量分析仪(5)的输出端连接至电脑(12)的第二输入端，所述的CCD相机(7)的输出端连接至电脑(12)的第三输入端，所述的扫描电子显微镜(11)的输出端连接至电脑(12)的第四输入端。
2.根据权利要求1所述的光学薄膜缺陷激光损伤阈值测试系统，其特征在于，所述激光器(1)发出的激光波长1064nm、532nm或355nm。
3.根据权利要求1所述的光学薄膜缺陷激光损伤阈值测试系统，其特征在于，所述激光脉冲宽度的调整范围为0.2ns～20ns。
4.根据权利要求1所述的光学薄膜缺陷激光损伤阈值测试系统，其特征在于，所述激光器输出能量调整范围为2J～100J。
5.根据权利要求1所述的光学薄膜缺陷激光损伤阈值测试系统，其特征在于，所述金属膜为金膜、银膜、铝膜。
6.根据权利要求1-5任一所述的光学薄膜缺陷损伤阈值的测试系统，其特征在于，所述激光光斑的能量分布为高斯分布。
7.一种权利要求6所述的光学薄膜缺陷激光损伤阈值的测试系统的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，通过控制衰减器(2)将所述的激光器(1)发出的高斯激光能量调节至0.1J/cm2～0.5J/cm2，利用所述的聚焦透镜(6)使高斯光束聚焦到所述的金属膜(8)表面，并利用所述的CCD相机(7)通过调整其角度和位置，记录下激光光斑在所述金属膜(8)表面的位置；
步骤2，移动所述的移动平台(10)，使所述光学薄膜(9)水平移动至激光光斑位置，通过调整所述的衰减器(2)，将入射激光峰值能量密度由低到高调节至初始发生损伤的激光能量密度Fmax，对所述光学薄膜(9)进行激光辐照，利用所述的CCD相机(7)记录下激光辐照光学薄膜(9)后出现的缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标(xi，yi)，根据入射激光峰值能量密度Fmax和缺陷损伤点位于激光光斑内的坐标(xi，yi)，得到缺陷损伤点横向上所吸收的激光能量密度Fi，计算公式如下：
式中：
Fi——缺陷损伤点横向上吸收的激光能量密度，单位J/cm2，
Fmax——入射激光峰值能量密度，单位J/cm2，
xi，yi——缺陷损伤点位于激光光斑内横向与纵向上的坐标，单位mm，
ωx，ωy——激光光斑横向与纵向的高斯半径，单位mm；
步骤3，利用所述的扫描电子显微镜(11)记录激光辐照在光学薄膜(9)中缺陷损伤点纵向深度d，结合光学薄膜(9)的纵向电场分布，判断出缺陷损伤点初始位置所对应的电场情况，并进行电场归一化处理，结合缺陷损伤点横向的能量密度细分，计算得到光学薄膜(9)内缺陷损伤点对应的激光能量密度，
步骤4，通过利用固定的入射峰值能量密度Fmax对所述的光学薄膜(9)的不同位置处分别进行单脉冲激光辐照，辐照的位置个数根据测试样品的大小进行选择，最后从得到的缺陷损伤能量密度中选取最低的激光能量密度作为光学薄膜(9)的激光损伤阈值。
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