激光薄膜损伤阈值的检测..

几种光学薄膜激光损伤阈值测量方法的介绍与探讨

1.前言

光学薄膜现在已经成为各个光学元器件不可或缺的部分，随着高功率激光器件的发展，由于光学薄膜相对于其他光学元件一般具有比较低的激光损伤阈值，因而光学薄膜成为了高功率器件限制功率提高的瓶颈所在，因此提高薄膜的激光损伤阈值显得极为重要。然而要想提高薄膜的激光损伤阈值，准确的测量薄膜的激光损伤阈值成为了当前亟需解决的难题。本文系统的总结了1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描四种测试方式，以及normaski相称显微镜观察、等离子体闪光判别等几种判断薄膜损伤方法的原理。可为薄膜激光损伤阈值的测试提供参考与借鉴。

2.几种损伤阈值测量方法的介绍

当前主流的测量方式有1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描四种方式。其测试设备均如图一]1[所示，只是在激光辐照到样品表面时而采取不同的方式。

图一激光损伤阈值测量光路

玻片与偏振片共同构成激光器发出强激光用来作为损伤光，

2

衰减器，He-Ne激光器所发出的光作为准直光使用，聚焦透镜使得光斑聚焦到合适的大小，分光镜将光分为三束，其中一束通向样品，一束通向能量计以时时监测能量值，另外一束通向CCD以确定光斑大小。

2.1 1-on-1测量方法]2[

采用不同能量密度的激光依次对样品上一排点进行辐照，每个点辐照一次，为了保证各个点之间不相互影响，应使得两个点之间的距离为样品表面处理光斑直径的3倍以上（如图二），辐照完后计算出该功率下的损伤几率，然后用相同的方法进行下一个功率的辐照。得出各个功率密度分别对应的损伤几率（必须包含0损伤几率与100%损伤几率）后，利用最小二乘法原理，对数据进行线性拟合，进而得到损伤阈值。

图二样品的测试点分布

该种方法应用较为普遍，它得到的损伤阈值也较为准确，但是该

方法测量面积较大，且不能得到阈值分布，对于重频激光来说必须考虑激光辐照的累积效应]3[，该测试方法也不能满足。

2.2 S-on-1测量方法

采用不同能量密度的激光对样品上的一排点进行辐照，每个点辐照S（可以为1,10,100,1000等）次（若不到S次就发生损伤则应立即移动至下一个测试点），为保证各个点之间不相互影响，应使得两个点间的距离为样品表面处光斑直径的3倍以上，辐照完后计算出该功率下的损伤几率，然后用相同的方法进行下一个功率的辐照。然后同1-on-1方法拟合出功率密度与损伤几率的关系，进而得到损伤阈值。

该方法相对来说更加符合日常实际情况，所以也是一种比较常用的测量方法。同1-on-1法，该方法也无法得到阈值的分布情况。2.3 R-on-1测量方法

测量过程中通过改变衰减器，从而使得激光能量按梯度增加，将激光打到样品的测试点上，发生损伤后就移至下一个点（两点之间的距离一般也为样品上光斑直径的3倍），记录下发生损伤时激光能量

的密度F

1与前一个为发生损伤时的激光能量密度F

2

。分别求出各个

点的F

1与F

2

的平均值，即为该点的损伤阈值，再将所有测试点的损

伤阈值求平均，即可认为是该样品的损伤阈值。

该方法能够得到较多的数据，能够分析整个光学原件的均匀性，但是由于激光预处理效应而使得激光损伤阈值有所增加。

2.4 光栅扫描法

在样品上选取一定的区域进行多个能量梯度的光栅式多脉冲扫

描，扫描间距一般也为样品上光斑直径的3倍左右。每个能量梯度扫描一次，若未出现损伤则进行下一梯度的扫描，若出现了损伤则记录

下此时激光能量密度F

1与前一个未损伤时的激光能量密度F

2

。阈值

的确定于R-on-1相似。

该方法由于需要测量的面积较大，所需时间较长，且由于存在激光预处理效应，从而会使得激光损伤的阈值也有所增加。

2.5 各种方法的比较

图三]4[为不同光斑下各种测量方法下的1-on-1，S-on-1与R-on-1的损伤阈值曲线图，表一]4[为损伤阈值的测量结果。

图三两种光斑尺寸下，1-on-1、S-on-1与R-on-1的损伤几率图

表一四种方式损伤阈值测量结果

以上数据得R-on-1>光栅扫描>1-on-1>S-on-1。理论分析如下：由于存在激光预处理效应，R-on-1与光栅扫描法得到的损伤阈值会比S-on-1与1-on-1得到的阈值大。由于光栅扫描法扫描的范围比较大，因此其更容易辐照到缺陷等阈值极低点，从而使得其损伤阈值相对R-on-1更小。而在S-on-1中存在光热积累效应，因此多脉冲往往

更容易导致损伤，因此S-on-1又比1-on-1大。可见，理论与实验符合的较好。

3 几种判断样品损伤的探测方法

国际标准（ISO 11254]2[）对损伤的定义为用规定的检验技术能够观测到样品表面特征的任何激光诱导的变化。本节主要介绍了几种常见的判断薄膜损伤与否的探测方法，主要包括相称显微镜观察法、图像处理法、等离子体闪光法、反射光能量判别法、光斑形变法、透射反射扫描法、散射光判别法、光热信号判别法、光声信号判别法、雾气法。主要总结了这些方法的原理，分辨率以及判据等问题。

3.1 相称显微镜观察法

光是电磁波，具有振幅与位相，当其通过介质时，它的位相与振幅变会发生一定的变化。通过观察光强即可知道振幅的变化，而相位的变化则无法直接测出。而相称显微镜则根据阿贝成像原理，利用特殊的空间滤波器，把不能直接观测到的相位变化转换为光强变化。在探测到相位变化的同时，增强了图像的清晰度，还提高了图像的放大率。相称显微镜的分辨率比普通显微镜高好几个数量级，可以看到

1~50nm级微观图像。

因此根据国际标准ISO 11254，用放大倍数100至150倍（一般推荐150倍）的Nomarski相称显微镜观察辐照前后形貌的变化，从而定义是否有损伤发生。图四]5[为用显微镜观察下的几种典型的损伤形貌。