CN111474182B - 一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法和装置，其克服了现有技术中判别薄膜是否发生损伤，常常会造成“误判”现象，适用于激光损伤阈值测量中各类光学元件及镀膜元件表面损伤的在线判别，具有快速、准确的特点。本发明采用的技术方案如下：包括用于安装薄膜测试样品的二维工作台，二维工作台两侧分别设置有入射光路和反射光路，入射光路一侧依次设置有光源、滤光片、平行光管和起偏器，反射光路一侧依次设置有波片、检偏器和光电接收器，高能激光器的激光发射端正对薄膜测试样品表面，在高能激光器的激光脉冲输出方向依次设置有衰减器和会聚透镜，其中二维工作台、波片、检偏器、高能激光器、接收器和衰减器均连接至工业控制计算机。

Description

一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种光学元件损伤识别装置及识别方法，尤其是涉及一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法和装置。

背景技术：

在大功率、高能量激光系统中，存在着数以万计的光学薄膜元件，这些薄膜元件的抗激光损伤性能与光学系统的正常有效运转密不可分。鉴于此，许多光学薄膜元件都有激光损伤阈值(laser-induced damage threshold,LIDT)的指标要求。遗憾的是，目前对LIDT的测试效率很低、重复性差，且测试的成本较高。存在这些问题的主要原因是缺乏快速有效的损伤识别方法。关于损伤的识别方法，国际标准化委员会推荐相衬显微法作为薄膜损伤的判别方法(ISO21254)，这种方法采用放大倍率为100-150倍的Normaski显微镜对激光辐照后的表面进行观测，以判别薄膜是否发生损伤。该方法存在的主要问题是，满足放大倍率100-150的显微镜，其工作距一般都很短。安装在自动化的激光损伤阈值测试仪中，会对高能辐照激光束产生遮挡，从而无法实现测试。因此，需要反复将样品移动到辐照光路之外去测试，从而降低了测试效率，难以满足工业生产的需要。

鉴于此，国内外也有一些研究者开发出其他损伤识别方法，主要有散射光强法、等离子体闪光法、光声测量法、光热法等，这些方法各有其优缺点。散射光强法的原理是：当激光以一定的角度斜入射到样品上时，如果样品表面的辐照点处无疵点，则反射光将按几何光学的规律镜像反射，这时遮挡住反射主光线，不使其进入光电接收器，就不会有电信号输出。当样品表面的辐照点处不光滑，或被激光辐照后产生损伤，则主光线中相当一部分能量不能定向反射，而是产生散射，对应光电接收器就能接收到散射的光信号，从而就有电信号输出，通过探测光电接收器有无电信号输出，实际上是探测激光辐射前后电信号的变化就可判断激光照射区域是否损伤，此方法对被测样品表面的光洁度要求高，如果激光辐射前表面光洁度不够，即使激光辐射引起了损伤，探测器输出电信号也不会有太大的变化，因而不能准确地进行损伤判别。等离子体闪光法也是判别激光损伤的一种常用方法，该方法基于激光与光学表面相互作用时将离化光学表面的物质，产生自由电子和离子，即等离子体的原理，通过光敏元件探测激光与光学表面相互作用时的等离子体闪光就可以判断是否存在损伤。通常，检测激光为单色光(如氦氖激光的波长632.8nm)，而等离子体闪光为复色光，因此需要消除作用激光对应的光谱，才可以准确探测到等离子体闪光，即由此来判断光学表面是否存在损伤的现象。常规的等离子体闪光判别法是在光学表面附近安装一光电接收器件，当存在闪光时，光电接收器件输出一电平信号，即以光强变化作为损伤与否的判据。然而，当激光的强度足够高时，大气也会发生击穿出现等离子体闪光现象。当强激光作用于薄膜表面并发生等离子体闪光时，在大多数情况下，得到的是薄膜和大气的复合等离子体，或者仅仅得到的是大气等离子体闪光，因此，采用常规的探测光强的方式来判别薄膜是否发生损伤，常常会造成“误判”现象。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法和装置，其克服了现有技术中判别薄膜是否发生损伤，常常会造成“误判”现象，适用于激光损伤阈值测量中各类光学元件及镀膜元件表面损伤的在线判别，具有快速、准确的特点，实现了整个激光损伤判别系统的全自动化过程，在实际工业生产中有广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光学薄膜激光损伤识别装置，其特征在于：包括用于安装薄膜测试样品的二维工作台，二维工作台两侧分别设置有入射光路和反射光路，入射光路一侧依次设置有光源、滤光片、平行光管和起偏器，反射光路一侧依次设置有波片、检偏器和光电接收器，高能激光器的激光发射端正对夹持在二维工作台上的薄膜测试样品表面，在高能激光器的激光脉冲输出方向依次设置有衰减器和会聚透镜，其中二维工作台、波片、检偏器、高能激光器、接收器和衰减器均连接至工业控制计算机。

起偏器在光路中设置的起偏方位角为45°，起偏器产生的线偏光在薄膜测试样品表面的入射角为65-75°。

波片和检偏器采用步进电机驱动，波片为1/4波片。

衰减器由四组五片中性密度吸收玻璃组成，其玻璃表面两侧镀制有反射膜。

一种采用权利要求1所述装置基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在测试样品台的入射光路一侧依次设置光源、滤光片、平行光管和起偏器，使起偏器的偏振方位角为45°；在反射光路，依次设置波片、检偏器，光电接收器；使高能激光器的激光发射端正对夹持在二维工作台上的测试样品表面，在高能激光器的激光脉冲输出方向依次设置有衰减器和会聚透镜，其中，二维工作台、波片、检偏器、高能激光器、接收器和衰减器均连接至工业控制计算机；

2)配合调整波片和检偏器的方位角，同时用探测器接收采集到的光通量；当探测器采集到的光强度最小时实现消光，这时记录波片和检偏器的方位角，以此获得线偏振光反射后的偏振特性，即薄膜测试样品表面反射的p光和s光的振幅比和位相差；

3)调整衰减器的衰减比率，设定激光脉冲的能量大小，触发高能激光器发射1个激光脉冲作用于样品表面；

4)重复步骤2)的测试过程，从而可获得薄膜测试样品表面受到高能激光辐照后线偏振光反射后的偏振特性，即表面反射的p光和s光的振幅比和位相差；

5)采用计算机对高能激光脉冲作用前后，样品表面p、s光反射的振幅比和位相差变化情况进行判断，就可以确定薄膜测试样品是否发生了损伤。

步骤5)中，将步骤2)中得到的p光和s光的振幅比和位相差与步骤4)得到的结果进行比对，如果偏振参数Ψ或△的数值发生了变化，大于系统初始标定的数值，就认为高能激光辐照后，薄膜测试样品表面发生了损伤；反之，则薄膜测试样品表面完好。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

本发明提供的激光损伤判别装置及偏振参数分析方法适用于各类光学元件表面，也适用于各种类型的光学薄膜的损伤判别。本发明经过详细的理论计算与分析，证明了该方法是可行的，且具有快速、准确的特点，在实际工业生产中有广泛的应用前景。本发明所提供的薄膜激光损伤判别方法及装置判别精度高，几乎不存在“误判”现象，膜厚变化1nm或者折射率变化0.0001时，测试系统就会有响应；可实现在线判别，对激光损伤的判别可以在几秒内完成；判别薄膜的种类范围宽，无论是反射膜、增透膜、薄膜、厚膜均可实现高精度的判别；将该方法应用于激光损伤阈值(LIDT)测试过程中，有助于实现测试系统的集成化、自动化、智能化。

附图说明：

图1为本发明光学薄膜激光损伤识别装置的结构示意图。

其中，1-光源；2-滤光片；3-平行光管；4-起偏器；5-二维工作台；6-薄膜测试样品；7-波片；8-检偏器；9-接收器；10-计算机；11-高能激光器；12-衰减器；13-会聚透镜。

图2为光波在薄膜界面传输示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。

本发明为一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤判别装置，参见图1，在二维工作台的入射光路一侧依次设置光源1、可实现单色光输出的窄带滤光片2、用于准直的平行光管3以及产生线偏光的起偏器4。其中，光源1为白炽灯光源，发光谱段400-700nm。滤光片2为窄带通滤光片，波长650±1nm，半宽5nm。起偏器的偏振方位角为45°，起偏器4产生的线偏光在薄膜测试样品表面的入射角为70°。在入射光的镜像反射光路，依次设置有步进电机驱动的波片7和检偏器8，波片7为1/4波片，最后连接用于测量光强度的光电接收器9，接收器9为光电探测器。高能激光器11的激光发射端正对夹持在二维工作台5上的薄膜测试样品6表面，在高能激光器11的激光脉冲输出方向依次设置有衰减器和会聚透镜，经过衰减器12对其输出的能量进行调节，会聚透镜13用于会聚激光能量。其中，高能激光器11为能使样品表面损伤的高能量脉冲激光器，波长为532nm或1064nm，脉宽为10ns，束斑φ12mm，单脉冲能量为200mJ。衰减器12由四组五片中性密度吸收玻璃组成，其玻璃表面两侧镀制有反射膜。会聚透镜13焦距为120mm。二维工作台5，波片7，检偏器8，高能激光器11和衰减器12等均连接于控制部件运动、进行数据运算的工业控制计算机10。

本发明基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤判别装置以线偏振光为入射光源，通过检测高能激光脉冲辐照前后，样品表面对线偏振光反射后的偏振状态是否变化，以此来判别样品表面是否发生损伤。为达到判别激光损伤的目的而采用图1所示装置，实际工作时，从白炽灯光源1发出的复色光，经过一峰值波长为650nm的窄带滤光片2后，就仅有650nm附近的光波能够通过。这时，再经过平行光管3后转变为平行光，经起偏器4后，产生方位角为45°的线偏振光，该线偏光入射到薄膜测试样品6的表面。由于薄膜测试样品6表面对s、p光的振幅反射系数不相同，经薄膜表面反射后就产生椭圆偏振光，调节1/4波片7的方位角，使反射产生的位相差恰好补偿，就得到线偏振光，用检偏器8进行消光。接收器9用于将接收的光信号转变为电信号，可用来判断是否实现了消光。高能激光器11产生的高能脉冲激光，可以是能使薄膜损伤的任何激光。薄膜测试样品6夹持在二维工作台5上，当薄膜表面受到强激光辐照而损伤后，薄膜测试样品6的表面状态将发生变化(光学常数改变，或者出现破损)。

本发明还公开了一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法，包括以下步骤：

1)首先，在测试样品台的入射光路一侧依次设置光源1、滤光片2、平行光管3和起偏器4，使起偏器4的偏振方位角为45°。在反射光路依次设置波片7、检偏器8，光电接收器9。使高能激光器11的激光发射端正对夹持在二维工作台5上的薄膜测试样品6表面，在高能激光器11的激光脉冲输出方向依次设置有衰减器12和会聚透镜13，其中，二维工作台5，波片7，检偏器8，接收器9，高能激光器11和衰减器12等均连接至工业控制计算机10。

2)其次，配合调整波片7和检偏器8的方位角，同时用接收器9接收采集到的光通量。当接收器9采集到的光强度最小时就实现了消光，这时记录波片7和检偏器8的方位角，以此就可以获得线偏振光反射后的偏振特性，即薄膜测试样品6表面反射的p光和s光的振幅比和位相差。

3)接着，调整衰减器12的衰减比率，设定激光脉冲的能量大小，触发高能激光器11发射1个激光脉冲作用于样品表面。

4)然后重复步骤2)的测试过程，从而可获得样品表面受到高能激光辐照后线偏振光反射后的偏振特性，即表面反射的p光和s光的振幅比和位相差。

5)最后，采用计算机10对高能激光脉冲作用前后，样品表面反射光的偏振状态进行判断，就可以确定测试样品是否发生了损伤。判断测试样品是否发生损伤的方法具体为：将步骤2)中得到的p光和s光的振幅比和位相差与步骤4)得到的结果进行比对，如果偏振参数Ψ或△的数值发生了变化(大于系统初始标定的数值)，就认为高能激光辐照后，样品表面发生了损伤；反之，则薄膜表面完好。

本发明采用线偏光作为测试光源，经薄膜表面反射后，对于特定的薄膜(光学常数和厚度均确定)，具有特定的偏振状态(p、s光位相差和振幅比均确定)。在大功率、高能量激光(称为辐照激光)的辐射下，一旦光学薄膜表面出现损伤，则辐照区内薄膜的光学常数(折射率、消光系数、厚度)必定发生变化。这将导致线偏光经过样品表面反射后的偏振状况发生变化。因此根据薄膜表面损伤前后偏振光状态是否发生变化，就能判断出样品是否发生了损伤。具体原理说明如下：

参见图2，图2为光波在薄膜界面传输示意图。

方位角为45°的线偏光入射到薄膜上下两个表面，s光和p光的反射系数可分别表示为(其中公式中的下标1、2分别表示上下两个界面)：

对于界面1，有

对于界面2，有

根据多光干涉理论，光波经过薄膜上下两个表面将进行多次反射和折射，整个薄膜的复振幅反射系数可以表示为：

其中

如果令

则可以得到

即

(p、s光振幅比)，Δ＝d_p-d_s(p、s光位相差)

其中，

于是，

根据本发明图1所示装置，由波片的方位角θ₀可以得到椭圆偏振光的方位角θ，由检偏器的方位角θ_A可以得到椭圆偏振光的偏心率tanγ。利用椭圆偏振光的两个特征量方位角θ和偏心率tanγ与椭圆函数的两个参量tanΨ和tanΔ之间关系：cos2Ψ＝cos2γ·cos2θ和

即可得到两个反映椭偏状态的角度参量：Ψ和Δ。

也就是说，当基底材料确定，对于特定波长，薄膜的折射率、消光系数和厚度决定着Ψ和Δ(与p、s光振幅比、位相差一一对应)的大小。因此，当薄膜表面受到激光辐照发生损伤后，由于辐照区内薄膜的折射率，消光系数或者厚度必然发生了变化。这时就可以通过测量薄膜损伤前后Ψ和Δ的变化，断定薄膜是否发生了损伤。

本发明具体测试方法的过程包括：

首先，采用方位角为45°的线偏振光入射到薄膜或光学元件表面，经1/4波片和检偏器配合，实现消光后得到薄膜样品表面反射光的偏振参数，Ψ₀和Δ₀。

接着，采用大功率、高能量的脉冲激光对薄膜或光学元件表面进行辐照，样品一旦发生损伤，构成薄膜或光学元件的表面材料的光学常数或者厚度将发生变化，这种变化，必然引起样品反射光的偏振参数变化。这时再次采用同样的线偏振光入射到薄膜或光学元件表面，再次经波片和检偏器消光，得到薄膜样品表面反射光的偏振参数，Ψ₁和Δ₁。

在获得激光辐照前后的反射光偏振参数后，利用计算机对样品表面反射光的偏振状态进行判断，如果两次偏振参数的差值|Ψ₁-Ψ₀|或者|Δ₁-Δ₀|，其中任何一个大于驱动检偏器的步进电机分辨率0.2°，就可以确定测试样品发生了损伤。由此可见，本发明通过采集高能激光辐照前后样片表面反射光偏振状态的变化，从而判别样品是否发生损伤。

本发明所提供的激光毁伤判别装置及分析方法适用于各类光学元件，适用于各种类型的薄膜毁伤判别，且具有快速、准确的特点，实现了整个激光损伤判别系统的快速全自动化过程。本发明在高能激光的作用下，能够在线、实时、快速、准确获得光学薄膜损伤状态，消除了目前常用的损伤判别不准确的现象。本发明经过详细的理论计算与分析，证明是可行的，而且性能良好，稳定，在实际工业生产中有广泛的应用前景。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在测试样品台的入射光路一侧依次设置光源、滤光片、平行光管和起偏器，使起偏器的偏振方位角为45°；在反射光路，依次设置波片、检偏器，光电接收器；使高能激光器的激光发射端正对夹持在二维工作台上的测试样品表面，在高能激光器的激光脉冲输出方向依次设置有衰减器和会聚透镜，其中，二维工作台、波片、检偏器、高能激光器、接收器和衰减器均连接至工业控制计算机；

2)配合调整波片和检偏器的方位角，同时用探测器接收采集到的光通量；当探测器采集到的光强度最小时实现消光，这时记录波片和检偏器的方位角，以此获得线偏振光反射后的偏振特性，即薄膜测试样品表面反射的p光和s光的振幅比和位相差；

3)调整衰减器的衰减比率，设定激光脉冲的能量大小，触发高能激光器发射1个激光脉冲作用于样品表面；

4)重复步骤2)的测试过程，从而可获得薄膜测试样品表面受到高能激光辐照后线偏振光反射后的偏振特性，即表面反射的p光和s光的振幅比和位相差；

5)采用计算机对高能激光脉冲作用前后，样品表面p、s光反射的振幅比和位相差变化情况进行判断，就可以确定薄膜测试样品是否发生了损伤。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振参数识别光学薄膜激光损伤的方法，其特征在于：步骤5)中，将步骤2)中得到的p光和s光的振幅比和位相差与步骤4)得到的结果进行比对，如果偏振参数Ψ或△的数值发生了变化，大于系统初始标定的数值，就认为高能激光辐照后，薄膜测试样品表面发生了损伤；反之，则薄膜测试样品表面完好，其中，tanΨ为p、s光振幅比，△为p、s光位相差。

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