CN115014718B - 一种激光辐照光学元件损伤的研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光辐照光学元件损伤的研究方法，通过测定光学元件的损伤阈值，并采用小于光学元件损伤阈值的辐照能量密度测定光学元件的激光长期辐照下的寿命，运用荧光光谱结合氦氖激光的变化判断元件是否发生损伤，并对元件变形、应力突变、裂纹等变化或损伤进行实时监控保证实验的有效性。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，具体涉及一种激光辐照光学元件损伤的研究方法。
背景技术
光刻技术是微电子制造过程的关键技术，是目前最高效的高精度微纳加工技术。光刻技术是借助光刻胶，在特定光源照射下进行曝光，再通过显影、刻蚀等步骤，将掩膜上的图形转移到衬底上的技术。目前有三个主要的光刻技术，准分子光刻技术、电子束光刻技术和紫外光刻技术。在过去的30年当中业已证实紫外光刻是一种非常成功的刻蚀技术，高光刻技术分辨率的传统方法是增大镜头的数值孔径，采用下述图像增强技术或缩短紫外光波长，通常采用的方法是缩短波长。早在80年代，极紫外光刻技术就已经开始理论的研究和初步的实验，该技术的光源是波长为11～14nm的极端远紫外光，其原理主要是利用曝光光源极短的波长达到提高光刻技术分辨率的目的，之前极紫外光刻也被视为下一代光刻技术，直到最近一两年才得到广泛引用。
光学元件是激光器重要的组件，其质量直接影响着激光的性能，然而光学元件在激光辐照过程中将发生损伤。目前针对元件质量的评价一般为辐照前的表面粗糙度、吸收率、透过率等表征、以及各种短期损伤阈值测试。然而，实际光学元件在激光辐照过程中的损伤是一个长期的过程，其损伤机制与短期损伤的特征等具有相关性，但并不完全一致。
尤其对于紫外激光而言，其对光学元件的损伤包括光化学作用以及能量累积造成的光热作用等，机制复杂，影响因素众多。如何采用快速有效的开展光学元件长期损伤研究，成为制约光学元件发展的重要问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种激光辐照光学元件损伤的研究方法，通过测定光学元件的损伤阈值，并采用小于光学元件损伤阈值的辐照能量密度测定光学元件的激光长期辐照下的寿命，运用荧光光谱结合氦氖激光的变化判断元件是否发生损伤，并对元件变形、应力突变、裂纹等变化或损伤进行实时监控保证实验的有效性。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种激光辐照光学元件损伤的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：测定光学元件辐照前的表面粗糙度、缺陷种类、特征及尺寸；当表面粗糙度Ra<1nm且Rz<1nm，则辐照光斑直径需满足大于等于100μm；否则光斑直径需大于表面粗糙度的105倍以上；表征光学元件的缺陷尺度及分布，当80％以上的缺陷尺寸小于0.5μm，则保证辐照光斑直径满足粗糙度对应要求即可，否则，光斑直径进一步需大于等于缺陷平均尺寸的200倍；当缺陷分布均匀性指数>1，则在任意位置测试不小于3组，否则需要在不同位置测试不小于5组；
步骤2：测试光学元件的零几率损伤阈值，测试点数量不小于3个，当零几率损伤阈值数值偏差在15％以上，则需要详细记录每个测试位置的缺陷情况，测试5～8个测试点；
步骤3：为减少光学元件表面可能的污染对长期损伤测试结果的影响，采用损伤阈值的10％的激光能量密度对待测试表面进行清洗，为减少激光热累积效应的影响，激光重复频率10～100Hz，每个光斑区平均辐照3～10次；
步骤4：测试激光能量密度为损伤阈值不同比例，包括20％、40％、60％、80％损伤阈值的激光能量密度辐照条件下光学元件损伤所需要的脉冲数量；激光重复频率设置为光学元件使用最频繁的频率，如果没有参数积累，设置为激光器重复频率的中间值；当氦氖激光能量降低5％以上认为其发生损伤；拟合激光能量密度为损伤阈值不同比例，包括20％、40％、60％、80％损伤阈值的激光能量密度下，累积辐照计量的数值，根据累积辐照计量变化规律结合实验效率，计算激光能量密度-累积辐照剂量曲线斜率＝0.8～1.2的位置，选取该斜率对应的能量密度为实验的能量密度范围；
步骤5：测定选取的能量密度范围内光学元件的损伤特征，包括损伤形貌和损伤尺度；从范围内能量密度由高到低的顺序，判断某一能量下其损伤形貌以微裂纹或是轻度烧蚀为主，未出现1μm尺度以上量级的熔融形貌，则采用对应能量密度作为长期损伤加速实验的辐照能量密度；如能量密度范围内的损伤均出现轻度烧蚀，则该光学元件的损伤将不可避免的包括较大比例的光热损伤机制，选取损伤阈值10％的能量密度作为辐照能量密度；
步骤6：在镜架与光学元件的接触位置布置贴片式应力传感器，进行光学元件安装加载、辐照过程实时的应力监测；
步骤7：进行紫外激光辐照实验，过程中实时记录应力变化，并采用荧光光谱、氦氖激光进行损伤的监测；激光重复频率设置为光学元件使用最频繁的频率，如果没有参数积累，设置为激光器重复频率的中间值；为了减少荧光激发光源和氦氖激光对光学元件的影响，采用每100～1000脉冲间隔、间断性记录荧光光谱变化及氦氖激光通过损伤位置的能量变化；
步骤8：分析应力变化进行光学元件变形、应力突变、裂纹或损伤的识别，当应力增加100％，停止实验，采用在线显微设备观察光学元件是否发生了局部裂纹损伤；如果没有损伤则继续进行实验，如发生损伤，则在该参数环境下，光学元件的损伤首先以裂纹方式出现，需要降低初始安装加载的应力，重新进行实验；
步骤9：分析荧光光谱结合氦氖激光的变化进行在线损伤的识别；对比辐照前，当缺陷位置的荧光光谱峰值增长30％以上，认为其出现了缺陷的扩展；当荧光光谱峰值增长且氦氖激光能量降低5％以上，认为其发生了损伤；当荧光光谱峰值变化小于30％，而氦氖激光能量显著下降，则停止实验，观察光学元件表面是否出现了裂纹损伤，或检查光路系统；
步骤10：与短期损伤研究仅需要记录能量密度、重复频率参数不同，长期损伤研究需要计算激光辐照的能量比(损伤阈值辐照能量密度)、累积辐照计量(能量密度*损伤脉冲数量*光斑面积)、累积峰值功率计量(峰值功率密度*损伤脉冲数量*光斑面积)，作为光学元件长期损伤的评价指标；其中，能量比范围从0-1，数值越大，光学元件越容易损伤；累积辐照剂量代表光学元件在该能量密度下能承受的最大计量，从一定程度上反应了光学元件材料吸收紫外光逐步发生反应的承受程度；累积峰值功率计量代表光学元件发生主要损伤机制的激光能量情况。
本发明方法的提出针对光学元件研究的三个问题：(1)实验前光学元件的特征参数缺乏有效统计，激光参数与元件特征缺乏匹配性，由于激光器种类的多样性，导致某几个激光参数可能并不能完全表达激光辐照参数的全部特性，长期损伤的不确定影响因素增加，实验重复率降低。(2)深紫外光学元件的加速实验缺乏足够的理论指导，实验的进程依靠操作人员经验，易造成加速因子很低或加速过快导致损伤机制发生变化。(3)光学元件需要通过镜架加载安装，会造成内部应力，在激光辐射作用下，尤其是在高重复频率激光的作用下，热累积效应十分明显，可能造成变形，裂纹甚至碎裂等情况，并可能改变镜片内的双折射等重要参数，影响激光性能。但过去对该方面缺乏在线监测，导致光学元件的加载条件、散热条件等多依靠经验设计、缺乏数据支持。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
(1)通过辐照前光学元件的特征参数统计，建立激光参数与元件特征的匹配性关系，快速高效的确定长期损伤加速实验的参数。
(2)通过对多种损伤特征的数据化和多种辐照参数的计算，实现对加速试验后损伤机制是否合适的判断，避免了人为或某一特征参数认定造成的误差，保证实验的准确性。
(3)通过对光学元件加载处的实时应力监测，确定各情况下应力的变化情况，实现对变形、应力集中等情况的动态关注，全面的监测光学元件的性能变化，并为加载状态、散热状态等的调整提供数据支撑。
附图说明
图1为激光辐照光学元件损伤的研究方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚简明，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明旨在提出一种激光辐照光学元件损伤的研究方法，以达到精确判断光学元件激光辐照长期辐照寿命，为光学元件的质量判断提供了全新方案。以紫外激光辐照平面CaF2镜片为例，结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
步骤1：测定光学元件辐照前的表面粗糙度、缺陷种类、特征及尺寸。测得表面粗糙度Ra＝0.5nm且Rz＝0.3nm，80％以上的缺陷尺寸小于0.5μm，且缺陷分布均匀性指数＝1.2。因此测试组数设为5组，辐照光斑直径为1.5mm。
步骤2：采用R-on-1的方法，即使用脉冲持续时间和作用时间间隔都相同，能量密度从小到大线性递增的激光脉冲对光学元件表面某一点进行辐照，直到某入射激光产生损伤，对应的能量密度即为该点的损伤阈值；测量CaF2镜片的损伤阈值，得到样品的零几率损伤阈值为2.17J/cm2。
步骤3：为减少光学元件表面可能的污染对长期损伤测试结果的影响，采用损伤阈值的10％的激光能量密度对待测试表面进行清洗，为减少激光热累积效应的影响，激光重复频率10Hz，每个光斑区辐照10次。
步骤4：测试20％、40％、60％、80％下的损伤能量密度辐照条件下光学元件损伤所需要的脉冲数量。激光重复频率设置100Hz。当氦氖激光能量降低5％以上认为其发生损伤。拟合20％、40％、60％、80％损伤阈值以上能量密度下，累积辐照计量的数值，根据累积辐照计量变化规律结合实验效率，计算激光能量密度-累积辐照剂量曲线斜率＝1.0的位置，选取该斜率对应的能量密度为实验的能量密度范围。
步骤5：测定选取的能量密度范围内光学元件的损伤特征，包括损伤形貌和损伤尺度。发现在0.3J/cm2的能量密度下未出现1μm尺度以上量级的熔融形貌，因此采用该能量密度作为长期损伤加速实验的辐照能量密度。
步骤6：在镜架与光学元件的接触位置布置贴片式应力传感器，进行光学元件安装加载、辐照过程实时的应力监测。
步骤7：进行紫外激光辐照实验，过程中实时记录应力变化，并采用荧光光谱、氦氖激光进行损伤的监测。激光重复频率设置为光学元件使用最频繁的频率，如果没有参数积累，设置为激光器重复频率的中间值。为了减少荧光激发光源和氦氖激光对光学元件的影响，采用每500脉冲间隔、间断性记录荧光光谱变化及氦氖激光通过损伤位置的能量变化。
步骤8：分析应力变化进行光学元件变形、应力突变、裂纹等变化或损伤的识别，中途未发现应力突变，因此继续实验。
步骤9：分析荧光光谱结合氦氖激光的变化进行在线损伤的识别。在辐照100000次后，相比辐照前荧光光谱峰值增长且氦氖激光能量降低5％以上，因此认为其发生了损伤。
Claims (1)
1.一种激光辐照光学元件损伤的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：测定光学元件辐照前的表面粗糙度、缺陷种类、特征及尺寸；当表面粗糙度Ra<1nm且Rz<1nm，则辐照光斑直径需满足大于等于100μm；否则光斑直径需大于表面粗糙度的105倍以上；表征光学元件的缺陷尺度及分布，当80％以上的缺陷尺寸小于0.5μm，则保证辐照光斑直径满足粗糙度对应要求即可，否则，光斑直径进一步需大于等于缺陷平均尺寸的200倍；当缺陷分布均匀性指数>1，则在任意位置测试不小于3组，否则需要在不同位置测试不小于5组；
步骤2：测试光学元件的零几率损伤阈值，测试点数量不小于3个，当零几率损伤阈值数值偏差在15％以上，则需要详细记录每个测试位置的缺陷情况，测试5～8个测试点；
步骤3：为减少光学元件表面可能的污染对长期损伤测试结果的影响，采用损伤阈值的10％的激光能量密度对待测试表面进行清洗，为减少激光热累积效应的影响，激光重复频率10～100Hz，每个光斑区平均辐照3～10次；
步骤4：测试激光能量密度为损伤阈值不同比例，包括20％、40％、60％、80％损伤阈值的激光能量密度辐照条件下光学元件损伤所需要的脉冲数量；激光重复频率设置为光学元件使用最频繁的频率，如果没有参数积累，设置为激光器重复频率的中间值；当氦氖激光能量降低5％以上认为其发生损伤；拟合激光能量密度为损伤阈值不同比例，包括20％、40％、60％、80％损伤阈值的激光能量密度下，累积辐照剂量的数值，根据累积辐照剂量变化规律结合实验效率，计算激光能量密度-累积辐照剂量曲线斜率＝0.8～1.2的位置，选取该斜率对应的能量密度为实验的能量密度范围；
步骤5：测定选取的能量密度范围内光学元件的损伤特征，包括损伤形貌和损伤尺度；从范围内能量密度由高到低的顺序，判断某一能量下其损伤形貌以微裂纹或是轻度烧蚀为主，未出现1μm尺度以上量级的熔融形貌，则采用对应能量密度作为长期损伤加速实验的辐照能量密度；如能量密度范围内的损伤均出现轻度烧蚀，则该光学元件的损伤将不可避免的包括较大比例的光热损伤机制，选取损伤阈值10％的能量密度作为辐照能量密度；
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步骤9：分析荧光光谱结合氦氖激光的变化进行在线损伤的识别；对比辐照前，当缺陷位置的荧光光谱峰值增长30％以上，认为其出现了缺陷的扩展；当荧光光谱峰值增长且氦氖激光能量降低5％以上，认为其发生了损伤；当荧光光谱峰值变化小于30％，而氦氖激光能量显著下降，则停止实验，观察光学元件表面是否出现了裂纹损伤，或检查光路系统；
步骤10：与短期损伤研究仅需要记录能量密度、重复频率参数不同，长期损伤研究需要计算激光辐照的能量比、累积辐照剂量和累积峰值功率计量，作为光学元件长期损伤的评价指标；其中，能量比范围从0-1，数值越大，光学元件越容易损伤；累积辐照剂量代表光学元件在该能量密度下能承受的最大计量，从一定程度上反应了光学元件材料吸收紫外光逐步发生反应的承受程度；累积峰值功率计量代表光学元件发生主要损伤机制的激光能量情况。
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| CN106066318A (zh) * | 2016-06-14 | 2016-11-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种在线测试光学元件激光损伤的方法及装置 |
| CN107063641A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-08-18 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种无损评价光学元件损伤性能的方法 |
| CN112326197A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-02-05 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 激光光学元器件长寿命预测方法 |
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| CN115014718A (zh) | 2022-09-06 |
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