CN110542684A - 一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统及其方法 - Google Patents

一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法，包括如下步骤：S1、测试得到光学薄膜单脉冲激光损伤时的激光能量密度Fth；S2、使单脉冲激光对光学薄膜进行辐照，记录下光学薄膜表面激光损伤边界不再增大时的激光损伤区域边界坐标(xi,yi)，同时记录下单脉冲激光辐照的次数n；S3、将激光能量密度的高斯分布与激光损伤区域分布对照，得到光学薄膜多脉冲激光辐照损伤时的激光损伤阈值FN；S4、不断改变入射的激光能量密度，重复执行步骤S2、S3，得到不同脉冲数目的飞秒激光辐照下光学薄膜的激光损伤阈值曲线。有益效果是不仅仅保证多脉冲激光辐照下光学薄膜激光损伤阈值测量准确性、同时大大提高多脉冲辐照下光学薄膜损伤阈值的测试效率。

Description

一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统及其方法
【技术领域】
本发明涉及光学检测领域，具体涉及一种光学薄膜损伤阈值测试系统及其方法。
【背景技术】
强激光对光学薄膜的破坏制约着激光向高功率、高能量发展，也是影响光学薄膜稳定性、可靠性和使用寿命的重要因素。随着超强超短激光器应用范围的不断扩大，光学薄膜或者光学元件抗损伤性能的重要性日益突出，而准确、高效地测试激光薄膜的损伤阈值是提高激光薄膜抗损伤能力的先决条件。近年来，国际标准化委员会颁布了ISO11524-1和ISO11524-2，这是对激光引起光学元件损伤而制定的国际标准。
目前关于飞秒激光多脉冲辐照下光学薄膜损伤阈值的测量方法主要是用标准的概率法，即固定激光的脉冲数目，通过能量衰减系统将入射的激光能量按一定能量台阶从高到低逐次辐照不同样品表面，直到样品不发生损伤(零概率损伤)的最大能量密度，此时认为该能量密度为该激光脉冲数目下的激光损伤阈值。该方法操作步骤繁琐，在特定激光脉冲辐照数下，要有多个能量台阶的测试，且每个能量台阶要测试多个点以找到零概率损伤的最大能量密度，不仅在测量过程中耗费时间，并且在需要大量的测试样品。
由于现有的飞秒激光多脉冲辐照下光学薄膜的损伤测试方法很难确保光学薄膜损伤阈值测试的高效性、准确性，因此，提出一种简单、高效、准确的飞秒激光多脉冲辐照下光学薄膜的损伤阈值测试要求越来越急迫。
【发明内容】
本发明的目的是，提出一种不仅仅保证多脉冲激光辐照下光学薄膜激光损伤阈值测量准确性、同时大大提高多脉冲辐照下光学薄膜损伤阈值的测试效率的光学薄膜损伤阈值测试系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统，上述测试系统包括飞秒激光器、两个反射镜、能量衰减系统、机械快门、聚焦透镜、楔形片、光束质量分析仪、能量计、供光学薄膜放置的二维移动平台、CCD相机和电脑，上述电脑设有数据输出卡和运动控制卡；上述飞秒激光器连接至数据输出卡，上述二维移动平台连接至运动控制卡，上述光束质量分析仪、能量计、CCD相机连接至电脑，上述数据控制卡用于控制飞秒激光器输出飞秒激光，上述运动控制卡用于控制二维移动平台的水平和垂直移动，上述光学薄膜安装在二维移动平台上，上述CCD相机摄像头对准光学薄膜；上述飞秒激光器、两个反射镜、能量衰减系统、机械快门、聚焦透镜、楔形片在一个激光光路上，上述光束质量分析仪和能量计用于分别收集楔形片反射方向的激光光束，上述光束质量分析仪用于激光质量分析，上述能量计用于测量激光的能量；上述光学薄膜表面接收楔形片透射方向的激光光束，上述反射镜、能量衰减系统用于调整飞秒激光器发出的激光能量密度，上述机械快门用于调整到达光学薄膜表面激光的脉冲数目，上述聚焦透镜用于调节激光光束焦点到光学薄膜表面，上述CCD相机用于记录激光光斑在光学薄膜表面的位置。
本发明的再一目的是，提出一种不仅仅保证多脉冲激光辐照下光学薄膜激光损伤阈值测量准确性、同时大大提高多脉冲辐照下光学薄膜损伤阈值的测试效率的光学薄膜损伤阈值测试方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法，上述测试方法运行在上述的测试系统上，包括如下步骤：
S1、调整入射激光为单脉冲激光，移动光学薄膜至激光光斑位置，将入射单脉冲激光的峰值激光能量密度由高到低调节，利用1-on-1模式进行测试得到光学薄膜单脉冲激光损伤时的激光能量密度Fth；
S2、将入射单脉冲激光的激光能量密度调节至低于Fth的某一值F0，调整机械快门为常开状态，使单脉冲激光对光学薄膜进行辐照，记录下光学薄膜表面激光损伤边界不再增大时的激光损伤区域边界坐标(xi,yi)，同时记录下单脉冲激光辐照的次数n；
S3、将激光能量密度的高斯分布与激光损伤区域分布对照，计算多脉冲激光的脉冲数目为N时，辐照光学薄膜的激光损伤阈值FN，N等于单脉冲激光辐照的次数n；公式如下：
式中：
FN(xi,yi)-激光损伤阈值，单位J/cm2；
F0-入射单脉冲激光峰值激光能量密度，单位J/cm2；
(xi,yi)-激光损伤区域边界坐标，单位um；
ωx，ωy-激光光斑横向与纵向的高斯半径，单位um；
S4、不断改变入射的激光能量密度，重复执行步骤S2、S3，得到不同脉冲数目的飞秒激光辐照下光学薄膜的激光损伤阈值曲线。
优选地，上述测试方法飞秒激光器发出的激光波长为800nm。
优选地，上述测试方法飞秒激光器发出的激光脉冲宽度为65fs～120fs。
优选地，上述测试方法飞秒激光器的重复频率为1kHz。
优选地，上述测试方法飞秒激光器输出的激光能量范围为0.1mJ～1mJ。
优选地，上述测试方法反射镜、能量衰减系统调整后的的激光能量密度范围为0.2J/cm2～0.5J/cm2。
优选地，上述测试方法使用的光学薄膜为高反介质膜。
优选地，上述测试方法激光光斑的能量分布为高斯分布。
本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：
1.本发明提出的一种飞秒激光多脉冲辐照下光学薄膜激光损伤阈值的测试系统及其方法，可以有效地确定光学薄膜在飞秒激光多脉冲辐照下的损伤阈值，为光学薄膜在实际激光系统中多脉冲激光损伤阈值的确定提供合理的测试手段，为光学薄膜在飞秒激光系统中应用寿命提供依据。
2.本发明通过将能量密度呈高斯分布的激光光束的与激光损伤区域分布作对照，并将激光峰值能量密度作为入射能量密度，可以得到损伤区域边界处的能量密度，即飞秒激光多脉冲辐照的激光损伤阈值，可以简单、高效地实现光学薄膜多脉冲辐照下的损伤阈值测量。
3.本发明提出的一种飞秒激光多脉冲辐照下光学薄膜激光损伤阈值的测试系统及其方法，具有很高的适用性，可以针对不同的材料体系、不同膜系、不同功能等任意光学薄膜进行多脉冲激光损伤阈值测试；节省了测试样品数量和测试时间，可以用极小的区域估计光学薄膜的多脉冲损伤阈值。
【附图说明】
图1是一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统结构示意图。
图2是一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统电脑结构示意图。
图3是一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法步骤图。
图4是一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法光学薄膜损伤区域SEM图。
图5是一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法光学薄膜损伤阈值曲线图。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：1—激光器，2—反射镜，3—能量衰减系统，4—机械快门，5—聚焦透镜，6—楔形片，7—光束质量分析仪，8—能量计，9—光学薄膜，10—二维移动平台，11—CCD相机，12—电脑，13—数据输出卡，14—运动控制卡。
【具体实施方式】
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例实现一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统。
图1示出了一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统结构示意图。
图2示出了一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统电脑结构示意图。
如图1、图2所示一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统，上述测试系统包括飞秒激光器1、两个反射镜2、能量衰减系统3、机械快门4、聚焦透镜5、楔形片6、光束质量分析仪7、能量计8、供光学薄膜放置的二维移动平台10、CCD相机11、电脑12，上述电脑12设有数据输出卡13、运动控制卡14；上述飞秒激光器1连接至数据输出卡13，上述二维移动平台10连接至运动控制卡14，上述光束质量分析仪7、能量计8、CCD相机11连接至电脑12，上述数据控制卡13用于控制飞秒激光器1输出飞秒激光，上述运动控制卡14用于控制二维移动平台10的水平和垂直移动，上述光学薄膜9安装在二维移动平台10上，上述CCD相机11摄像头对准光学薄膜9；上述飞秒激光器1、两个反射镜2、能量衰减系统3、机械快门4、聚焦透镜5、楔形片6在一个激光光路上，上述光束质量分析仪7和能量计8用于分别收集楔形片6反射方向的激光光束，上述光束质量分析仪7用于激光光束质量分析，上述能量计8用于测量激光光束的能量；上述光学薄膜9表面接收楔形片6透射方向的激光光束，上述反射镜2、能量衰减系统3用于调整飞秒激光器1发出的激光能量密度，上述机械快门4用于调整到达光学薄膜9表面激光的脉冲数目，上述聚焦透镜5用于调节激光光束焦点到光学薄膜9表面，上述CCD相机11用于记录激光光斑在光学薄膜9表面的位置。
实施例2
本实施例实现一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法。
图3示出了一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法步骤图。
如图3所示，一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法，上述测试方法运行在上述的测试系统上，包括如下步骤：
S1、调整入射激光为单脉冲激光，移动光学薄膜9至激光光斑位置，将入射单脉冲激光的峰值激光能量密度由高到低调节，利用1-on-1模式进行测试得到光学薄膜9单脉冲激光损伤时的激光能量密度Fth；
S2、将入射单脉冲激光的激光能量密度调节至低于Fth的某一值F0，调整机械快门4为常开状态，使单脉冲激光对光学薄膜9进行辐照，记录下光学薄膜9表面激光损伤边界不再增大时的激光损伤区域边界坐标(xi,yi)，同时记录下单脉冲激光辐照的次数n；
S3、将激光能量密度的高斯分布与激光损伤区域分布对照，计算多脉冲激光的脉冲数目为N时，辐照光学薄膜(9)的激光损伤阈值FN，N等于单脉冲激光辐照的次数n；公式如下：
式中：
FN(xi,yi)-激光损伤阈值，单位J/cm2；
F0-入射单脉冲激光峰值激光能量密度，单位J/cm2；
(xi,yi)-激光损伤区域边界坐标，单位um；
ωx，ωy-激光光斑横向与纵向的高斯半径，单位um；
S4、不断改变入射的激光能量密度，重复执行步骤S2、S3，得到不同脉冲数目的飞秒激光辐照下光学薄膜9的激光损伤阈值曲线。
优选地，上述测试方法飞秒激光器1发出的激光波长为800nm。
优选地，上述测试方法飞秒激光器1发出的激光脉冲宽度为65fs～120fs。
优选地，上述测试方法飞秒激光器1的重复频率为1kHz。
优选地，上述测试方法飞秒激光器1输出的激光能量范围为0.1mJ～1mJ。
优选地，上述测试方法反射镜2、能量衰减系统3调整后的的激光能量密度范围为0.2J/cm2～0.5J/cm2。
优选地，上述测试方法使用的光学薄膜9为高反介质膜。
优选地，上述测试方法激光光斑的能量分布为高斯分布。
实施例3
本实施例一种飞秒激光多脉冲辐照下光学薄膜激光损伤阈值的测试方法。本实施例是实施例1、实施例2的具体应用。
一种飞秒激光多脉冲辐照下光学薄膜激光损伤阈值的测试方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，电脑12经过数据输出卡13控制飞秒激光器1的激光输出，激光器1输出的激光光束经过两个反射镜2后到达能量衰减系统3，通过控制能量衰减系统3可将所述的激光器1输出的高斯激光能量密度调节至0.2J/cm2～0.5J/cm2,再通过机械快门4设置所述的激光器1输出的脉冲数为单发，该激光脉冲经过聚焦透镜5后到达楔形片6，楔形片6反射方向的光束分别到达光束质量分析仪7和能量计8，楔形片6透射方向的光束以45°方向入射到光学薄膜9表面，并利用所述的CCD相机11记录下激光光斑在所述光学薄膜9表面的位置，所述的光束质量分析仪7的输出端连接至电脑12的第一输入端，所述的能量计8的输出端连接至电脑12的第二输入端，所述的CCD相机11的输出端连接至电脑12的第三输入端，所述的二维移动平台10的输出端连接至电脑12的第四输入端。
步骤二，利用电脑12经运动控制卡14控制二维移动平台10的水平和垂直移动，使所述的光学薄膜9移动至激光光斑位置，光学薄膜9的膜系结构为[Substrate/4L(HL)^111.1015(MN)^6 1.015M/Air](H:氧化钽、L:氧化硅、M:金属铪、N:氧化硅)，通过调整所述的能量衰减系统3以及机械快门4将入射激光峰值能量密度由高到低调节，并保证激光脉冲数目调整为单发，利用1-on-1模式对所述光学薄膜进行测试得到单脉冲损伤时的激光能量密度Fth＝0.40J/cm2。
步骤三，通过所述的能量衰减系统3，将入射的激光能量密度调节至低于Fth＝0.40J/cm2的某一值F0，通过调整所述的机械快门4为常开状态，使激光脉冲串对所述的光学薄膜9进行辐照，利用所述的CCD相机11记录下光学薄膜9表面激光损伤边界不再增大时的边界坐标(xi,yi)，同时记录下激光脉冲串辐照的次数N，根据入射激光峰值能量密度F0和激光损伤区域边界坐标(xi,yi)，将所述激光器1输出的脉冲激光的空间高斯能量密度分布与激光损伤区域对照，可以得到激光脉冲辐照数目N时，所述光学薄膜的激光损伤阈值FN，计算公式如下：
式中：
FN(xi,yi)-激光损伤区域边界能量密度，单位J/cm2；
F0-入射激光峰值能量密度，单位J/cm2；
(xi,yi)-激光损伤区域边界坐标，单位um；
ωx，ωy-激光光斑横向与纵向的高斯半径，单位um；
其中，入射激光能量密度0.37J/cm2,激光光斑高斯半径ωx为226.6um，ωy为160.0um,激光损伤边界不再增大时的边界坐标为(130,0)，激光损伤边界不再增大时的入射激光脉冲数N为100，计算得到激光损伤区域边界能量密度F100(130,0)＝0.29J/cm2。图4示出了一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法光学薄膜损伤区域SEM图，左侧图示出了激光脉冲串辐照的次数N＝10，入射激光峰值能量密度F0＝0.39J/cm2时的激光损伤边界；中间图示出了激光脉冲串辐照的次数N＝20，入射激光峰值能量密度F0＝0.37J/cm2时的激光损伤边界；右侧图示出了激光脉冲串辐照的次数N＝20，入射激光峰值能量密度F0＝0.39J/cm2时的激光损伤边界。
步骤四，通过所述的能量衰减系统3不断改变输入激光的能量密度，重复步骤三，得到飞秒激光不同脉冲数目辐照下光学薄膜的激光损伤阈值曲线。图5示出了一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法光学薄膜损伤阈值曲线图，图中横坐标是激光脉冲辐照数目N，纵坐标是光学薄膜的激光损伤阈值FN。
作为优选，本实施例所述激光器1输出的激光波长为800nm，所述飞秒激光器激光脉冲宽度为65fs。
作为进一步优选，本实施例中激光器输出能量范围调整为0.2J/cm2～0.5J/cm2。
作为进一步优选，本实施例中所述的光学薄膜为介质膜。
作为进一步优选，本实施例中激光光斑的能量分布为高斯分布。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Acess Memory，RAM)等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学薄膜激光损伤阈值测试系统，其特征在于：所述测试系统包括飞秒激光器(1)、两个反射镜(2)、能量衰减系统(3)、机械快门(4)、聚焦透镜(5)、楔形片(6)、光束质量分析仪(7)、能量计(8)、供光学薄膜(9)放置的二维移动平台(10)、CCD相机(11)和电脑(12)，所述电脑(12)设有数据输出卡(13)和运动控制卡(14)；所述飞秒激光器(1)连接至数据输出卡(13)，所述二维移动平台(10)连接至运动控制卡(14)，所述光束质量分析仪(7)、能量计(8)、CCD相机(11)连接至电脑(12)，所述数据控制卡(13)用于控制飞秒激光器(1)输出飞秒激光，所述运动控制卡(14)用于控制二维移动平台(10)的水平和垂直移动，所述光学薄膜(9)安装在二维移动平台(10)上，所述CCD相机(11)摄像头对准光学薄膜(9)；所述飞秒激光器(1)、两个反射镜(2)、能量衰减系统(3)、机械快门(4)、聚焦透镜(5)、楔形片(6)在一个激光光路上，所述光束质量分析仪(7)和能量计(8)用于分别收集楔形片(6)反射方向的激光光束，所述光束质量分析仪(7)用于激光质量分析，所述能量计(8)用于测量激光的能量；所述光学薄膜(9)表面接收楔形片(6)透射方向的激光光束，所述反射镜(2)、能量衰减系统(3)用于调整飞秒激光器(1)发出的激光能量密度，所述机械快门(4)用于调整到达光学薄膜(9)表面激光的脉冲数目，所述聚焦透镜(5)用于调节激光光束焦点到光学薄膜(9)表面，所述CCD相机(11)用于记录激光光斑在光学薄膜(9)表面的位置。
2.一种光学薄膜激光损伤阈值测试方法，其特征在于所述测试方法运行在权利要求1所述的测试系统上，包括如下步骤：
S1、调整入射激光为单脉冲激光，移动光学薄膜(9)至激光光斑位置，将入射单脉冲激光的峰值激光能量密度由高到低调节，利用1-on-1模式进行测试得到光学薄膜(9)单脉冲激光损伤时的激光能量密度Fth；
S2、将入射单脉冲激光的激光能量密度调节至低于Fth的某一值F0，调整机械快门(4)为常开状态，使单脉冲激光对光学薄膜(9)进行辐照，记录下光学薄膜(9)表面激光损伤边界不再增大时的激光损伤区域边界坐标(xi,yi)，同时记录下单脉冲激光辐照的次数n；
S3、将激光能量密度的高斯分布与激光损伤区域分布对照，计算多脉冲激光的脉冲数目为N时，辐照光学薄膜(9)的激光损伤阈值FN，N等于单脉冲激光辐照的次数n；公式如下：
式中：
FN(xi,yi)-激光损伤阈值，单位J/cm2；
F0-入射单脉冲激光峰值激光能量密度，单位J/cm2；
(xi,yi)-激光损伤区域边界坐标，单位um；
ωx，ωy-激光光斑横向与纵向的高斯半径，单位um；
S4、不断改变入射的激光能量密度，重复执行步骤S2、S3，得到不同脉冲数目的飞秒激光辐照下光学薄膜(9)的激光损伤阈值曲线。
3.根据权利要求2所述的一种光学薄膜损伤阈值测试方法，其特征在于：所述测试方法飞秒激光器(1)发出的激光波长为800nm。
4.根据权利要求2所述的一种光学薄膜损伤阈值测试方法，其特征在于：所述测试方法飞秒激光器(1)发出的激光脉冲宽度为65fs～120fs。
5.根据权利要求2所述的一种光学薄膜损伤阈值测试方法，其特征在于：所述测试方法飞秒激光器(1)的重复频率为1kHz。
6.根据权利要求2所述的一种光学薄膜损伤阈值测试方法，其特征在于：所述测试方法飞秒激光器(1)输出的激光能量范围为0.1mJ～1mJ。
7.根据权利要求2所述的一种光学薄膜损伤阈值测试方法，其特征在于：所述测试方法反射镜(2)、能量衰减系统(3)调整后的的激光能量密度范围为0.2J/cm2～0.5J/cm2。
8.根据权利要求2所述的一种光学薄膜损伤阈值测试方法，其特征在于：所述测试方法使用的光学薄膜(9)为高反介质膜。
9.根据权利要求2所述的一种光学薄膜损伤阈值测试方法，其特征在于：所述测试方法激光光斑的能量分布为高斯分布。
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