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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

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。

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
激光器发出强激光用来作为损伤光, 玻片与偏振片共同构成衰减器,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,D以确定光斑大小。
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。
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。
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F1与前一个为发生损伤时的激光能量密度F2。分别求出各个
点的F1与F2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。
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F1与前一个未损伤时的激光能量密度F2。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。
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