幾個光學薄膜激光損傷閾值測量辦法的介紹與探討1.前言光學薄膜現在已經成為各個光學元器件不可或缺的部分，隨著高功率激光器件的發(fā)展，由于光學薄膜相對于其它光學元件普通含有比較低的激光損傷閾值，因而光學薄膜成為了高功率器件限制功率提高的瓶頸所在，因此提高薄膜的激光損傷閾值顯得極為重要。然而要想提高薄膜的激光損傷閾值，精確的測量薄膜的激光損傷閾值成為了現在亟需解決的難題。本文系統(tǒng)的總結了1-on-1、S-on-1、R-on-1和光柵掃描四種測試方式，以及normaski相稱顯微鏡觀察、等離子體閃光鑒別等幾個判斷薄膜損傷辦法的原理?？蔀楸∧ぜす鈸p傷閾值的測試提供參考與借鑒。幾個損傷閾值測量辦法的介紹現在主流的測量方式有1-on-1、S-on-1、R-on-1和光柵掃描四種方式。其測試設備均如圖一所示，只是在激光輻照到樣品表面時而采用不同的方式。圖一激光損傷閾值測量光路激光器發(fā)出強激光用來作為損傷光，玻片與偏振片共同構成衰減器，He-Ne激光器所發(fā)出的光作為準直光使用，聚焦透鏡使得光斑聚焦到適宜的大小，分光鏡將光分為三束，其中一束通向樣品，一束通向能量計以時時監(jiān)測能量值，另外一束通向CCD以擬定光斑大小。2.11-on-1測量辦法采用不同能量密度的激光依次對樣品上一排點進行輻照，每個點輻照一次，為了確保各個點之間不互相影響，應使得兩個點之間的距離為樣品表面解決光斑直徑的3倍以上（如圖二），輻照完后計算出該功率下的損傷幾率，然后用相似的辦法進行下一種功率的輻照。得出各個功率密度分別對應的損傷幾率（必須包含0損傷幾率與100%損傷幾率）后，運用最小二乘法原理，對數據進行線性擬合，進而得到損傷閾值。圖二樣品的測試點分布該種辦法應用較為普遍，它得到的損傷閾值也較為精確，但是該辦法測量面積較大，且不能得到閾值分布，對于重頻激光來說必須考慮激光輻照的累積效應，該測試辦法也不能滿足。2.2S-on-1測量辦法采用不同能量密度的激光對樣品上的一排點進行輻照，每個點輻照S（可覺得1,10,100,1000等）次（若不到S次就發(fā)生損傷則應立刻移動至下一種測試點），為確保各個點之間不互相影響，應使得兩個點間的距離為樣品表面處光斑直徑的3倍以上，輻照完后計算出該功率下的損傷幾率，然后用相似的辦法進行下一種功率的輻照。然后同1-on-1辦法擬合出功率密度與損傷幾率的關系，進而得到損傷閾值。該辦法相對來說更加符合日常實際狀況，因此也是一種比較慣用的測量辦法。同1-on-1法，該辦法也無法得到閾值的分布狀況。2.3R-on-1測量辦法測量過程中通過變化衰減器，從而使得激光能量按梯度增加，將激光打到樣品的測試點上，發(fā)生損傷后就移至下一種點（兩點之間的距離普通也為樣品上光斑直徑的3倍），統(tǒng)計下發(fā)生損傷時激光能量的密度F與前一種為發(fā)生損傷時的激光能量密度F。分別求出各個點的F與F的平均值，即為該點的損傷閾值，再將全部測試點的損傷閾值求平均，即可認為是該樣品的損傷閾值。該辦法能夠得到較多的數據，能夠分析整個光學原件的均勻性，但是由于激光預解決效應而使得激光損傷閾值有所增加。2.4光柵掃描法在樣品上選用一定的區(qū)域進行多個能量梯度的光柵式多脈沖掃描，掃描間距普通也為樣品上光斑直徑的3倍左右。每個能量梯度掃描一次，若未出現損傷則進行下一梯度的掃描，若出現了損傷則統(tǒng)計下此時激光能量密度F與前一種未損傷時的激光能量密度F。閾值的擬定于R-on-1相似。該辦法由于需要測量的面積較大，所需時間較長，且由于存在激光預解決效應，從而會使得激光損傷的閾值也有所增加。2.5多個辦法的比較圖三為不同光斑下多個測量辦法下的1-on-1，S-on-1與R-on-1的損傷閾值曲線圖，表一為損傷閾值的測量成果。圖三兩種光斑尺寸下，1-on-1、S-on-1與R-on-1的損傷幾率圖表一四種方式損傷閾值測量成果以上數據得R-on-1>光柵掃描>1-on-1>S-on-1。理論分析以下：由于存在激光預解決效應，R-on-1與光柵掃描法得到的損傷閾值會比S-on-1與1-on-1得到的閾值大。由于光柵掃描法掃描的范疇比較大，因此其更容易輻照到缺點等閾值極低點，從而使得其損傷閾值相對R-on-1更小。而在S-on-1中存在光熱積累效應，因此多脈沖往往更容易造成損傷，因此S-on-1又比1-on-1大?？梢?，理論與實驗符合的較好。3幾個判斷樣品損傷的探測辦法國際原則（ISO11254）對損傷的定義為用規(guī)定的檢查技術能夠觀察到樣品表面特性的任何激光誘導的變化。本節(jié)重要介紹了幾個常見的判斷薄膜損傷與否的探測辦法，重要涉及相稱顯微鏡觀察法、圖像解決法、等離子體閃光法、反射光能量鑒別法、光斑形變法、透射反射掃描法、散射光鑒別法、光熱信號鑒別法、光聲信號鑒別法、霧氣法。重要總結了這些辦法的原理，分辨率以及判據等問題。3.1相稱顯微鏡觀察法光是電磁波，含有振幅與位相，當其通過介質時，它的位相與振幅變會發(fā)生一定的變化。通過觀察光強即可懂得振幅的變化，而相位的變化則無法直接測出。而相稱顯微鏡則根據阿貝成像原理，運用特殊的空間濾波器，把不能直接觀察到的相位變化轉換為光強變化。在探測到相位變化的同時，增強了圖像的清晰度，還提高了圖像的放大率。相稱顯微鏡的分辨率比普通顯微鏡高好幾個數量級，能夠看到1~50nm級微觀圖像。因此根據國際原則ISO11254，用放大倍數100至150倍（普通推薦150倍）的Nomarski相稱顯微鏡觀察輻照前后形貌的變化，從而定義與否有損傷發(fā)生。圖四為用顯微鏡觀察下的幾個典型的損傷形貌。圖四顯微鏡觀察下的幾個典型損傷形貌該種辦法即使為ISO規(guī)定的一種辦法，但是由于需要人眼直接觀察判斷與否有損傷，對于比較明顯的損傷測試精確，但是對于比較弱的損傷則沒法探測或是誤差較大。除了這種辦法，還能夠用掃描電子顯微鏡、激光誘導熒光顯微鏡6和粗糙度進行觀察薄膜表面與否發(fā)生損傷，原理基本與相稱顯微鏡相似，在此不做具體表述。3.2圖像解決法該辦法的出現時為理解決相稱顯微鏡觀察法中的人眼主觀誤差的問題。原理為在Nomarski相稱顯微鏡目鏡處放一CCD，從而在閾值測量實驗過程中能夠時時得到顯微鏡觀察的圖像。再將各個時刻的圖像在計算機中分別與樣品未經激光照射時的圖像進行對比、分析，當兩幅圖像中出現一定程度的不一致時即可認為產生了損傷。3.3等離子體閃光鑒別法當輻照到薄膜樣品表面的激光功率較大（>10W/cm）時,薄膜的吸取系數不再為常數，又由于激光作用時間短，薄膜來不及熱傳導，在入射點處，薄膜溫度快速上升，并發(fā)生汽化。在強激光的繼續(xù)作用下，氣體分子產生電離，進而發(fā)生雪崩離化，形成等離子體閃光現象。在等離子體閃光過程中，薄膜表面的氣化介質材料會被噴出，同時等離子體會對膜層產生沖擊波（作用于單位膜面積的薄膜作用力可達成10N/m），從而發(fā)生不可逆的變化。等離子體閃光普通采用的辦法是在薄膜及元件表面附近放置一種光電探測器，如圖五（a）所示，當發(fā)生閃光時，光電探測器將輸出一種電平信號，由此認為薄膜發(fā)生了損傷。但是，在激光強度足夠大的時候，也會發(fā)生大氣擊穿現象，產生閃光，此時光電探測器也會輸出一種電平信號，從而造成誤判。然而光譜峰值位鑒別法則能夠消除這種誤判，其原理為：將光電探測器改為光譜儀（如圖五（b）所示），在發(fā)生閃光時將閃光的光譜圖統(tǒng)計下來，傳輸到計算機內與大氣元素的閃光光譜進行對比分析，由于光學薄膜中的元素與大氣中的元素存在本質的差別，一旦薄膜發(fā)生等離子體閃光，就會出現新的峰值，而大氣閃光則不會出現新的峰值，因此能夠消除由于大氣閃光而造成的誤判。圖五等離子體閃光探測法原理圖（原型及改善型）等離子體閃光法是一種較慣用的辦法，一旦出現等離子體閃光，便可認定為已經發(fā)生了損傷。但是由于等離子體閃光只有在膜內溫度足夠高，從而使得薄膜離化時才會產生，在薄膜熔點下列所發(fā)生的破壞現象或薄膜內發(fā)生的破壞尚未造成完全噴發(fā)的狀況下（如激光熱應力破壞），不會有等離子體的產生，此時若再用此辦法則無法探測已經產生的損傷。3.4散射光鑒別法當樣品發(fā)生損傷后，激光通過損傷處后其散射光便會有變化。當光通過樣品時，影響光強弱的因素有散射和吸取。當用弱光探測時，吸取對光強的作用能夠無視不計，散射起重要作用。散射光鑒別法就是運用散射引發(fā)探測光的削弱來檢測薄膜表面與否有損傷的一種辦法。圖六散射光鑒別法原理圖圖六為散射光鑒別法原理圖，He-Ne探測光在每個測試點被泵浦激光輻照后照射到測試點，分別測出受脈沖激光輻照前后的He-Ne激光的反射能量。當反射光能量發(fā)生變化時，即認為表面發(fā)生損傷。普通認為當作用點的反射光能量變化達成10%時，就可認為發(fā)生了損傷，但這一判據受測試條件以及薄膜種類影響較大，在具體檢測過程中尚有實驗擬定判據的需要。3.5透射反射掃描法由于激光損傷的物理實質為變化了光學薄膜的物質構造，從而影響了薄膜的光學性能，因此測出透射、反射比，將輻照前后成果比較后即可判斷損傷與否發(fā)生。圖七透射反射法原理圖圖七為透射反射法的原理圖，診療激光的波長為1.06um，D1、D2、D3三個探測器分別測量出分束光功率P、樣品反射光功率P和樣品透射光功率P。由數學運算可得式中為透射比，為反射比，P、P為無樣品時D1、D3探測到的光強，P、P、P為診療激光未開時D1、D2、D3所探測到的背景光強。p、p、p為有樣品時D1、D2、D3所探測到的光強。求出反射比透射比后再做出透射曲線與反射曲線，找出透射和反射曲線明顯下降的點即認為發(fā)生損傷處。實驗成果表明，透射反射掃描法能夠較好的反映損傷的發(fā)生狀況，能夠發(fā)現某些顯微鏡所不能發(fā)現的損傷，并且該辦法原理和構造都比較簡樸，便于實際應用與在線實時檢測。但是普通透射比反射比為波長的函數，因此在用此辦法時盡量選用薄膜工作波長的診療激光進行檢測。3.6聲光法此辦法為1988年西德的柏林大學提出的辦法，也是現在LLNL實驗室采用的辦法。由于激光照射到光學表面時，光學表面會產生反射聲波，聲光法就是運用反射的聲波對探針光的擾動而探測損傷光斑的大小，原理圖如圖八所示。圖八聲光法原理圖探針光距離光學表面40um左右，當激光照射光學表面時，由于會產生反射聲波，故氣體聲光調制會使得探針光發(fā)生偏轉，在探針光和狹縫（僅允許光束最陡輪廓線部分光通過）后的能量計會探測到一種脈沖抖動，由脈沖抖動的幅度大小能夠判斷損傷的發(fā)生于損傷斑的大小。該辦法的探測精度能夠達成10um。3.7光聲法光聲法通過也是基于激光照射到光學表面時會產生反射聲波的理論。但是區(qū)別在于，光聲法并沒有采用讓聲波與探針光的作用，而是直接在樣品附近或緊挨著樣品放置聲傳感器，從而實時統(tǒng)計薄膜受激光輻照后的聲波波形、幅值等物理量，并且根據光學薄膜受損后膜層內的光聲波波形會發(fā)生變化且波幅急劇增大而得出定性的損傷判據。該辦法能夠實時探測薄膜損傷狀況，并且根據聲波波形特點及頻率能夠更加精確的分辨薄膜表面的熱彈性效應和擊穿空氣等其它容易造成誤判的狀況。在許多文獻中，都把聲光法與光聲法混為一談，但總而言之，兩者測量辦法完全不同，這是在后來文章中值得注意的地方。3.8光熱法當受調制的泵浦強激光入射到紅外濾光片時，由于薄膜材料的吸取，使得樣品因受熱而發(fā)生周期性的形變，此時運用另外一測量光來探測形變部分，能夠探測到形變信號。這種光熱信號中包含了薄膜的熱物性信息，由于泵浦光的作用引發(fā)薄膜的構造及其性能發(fā)生變化，當觀察到光熱信號不可逆的變化時，薄膜的熱性能也產生了不可逆變化，這時便可判斷薄膜產生了損傷。圖九紅外濾光片損傷實驗的光熱信號隨激光功率的變化關系圖九表達的是紅外濾光片損傷實驗的光熱信號隨激光功率的變化關系。由圖能夠看出，在I區(qū)光熱信號與泵浦光功率呈線性關系，并且是可逆的，證明還沒有發(fā)生損傷；II區(qū)光熱信號與泵浦光功率呈非線性關系，但是變化較小，并且也是可逆的，證明此區(qū)域正處在損傷與不損傷之間；III區(qū)光熱信號隨泵浦光功率發(fā)生很陡的躍變，并且是不可逆的，證明發(fā)生了損傷。因此損傷閾值應當在II區(qū)與III區(qū)的交界處左右。3.9光熱偏轉法光熱偏轉法原理如圖十所示。受測薄膜樣品通過泵浦激光輻照后，熱量的吸取造成樣品內部產生熱波，受測區(qū)域由于不同于未輻照區(qū)域的應力與溫度分布狀況，會使得探針光產生一定的偏轉，這是如果在反射光路中放置PSD，即可探測出探針光反射的偏移量，進而判斷出薄膜損傷。這一偏移量與受測薄膜的材料屬性、光學屬性都有關，并且與入射光能量成正比。損傷的判據為光熱偏轉信號產生可不可逆的變化。由于該辦法能夠探測出薄膜微小的熱學或光學特性的不可逆變化以及探測出更深的形變，因而該辦法相對于顯微鏡觀察含有更高的敏捷度。但是光熱偏轉法對測試環(huán)境規(guī)定較高，且實驗的搭建較為復雜。圖十光熱偏轉法原理圖3.10光斑形變鑒別法這種辦法是在研究激光誘導晶體損傷時提出來的。由于當晶體內部損傷時透射光斑會沿C軸拉長，發(fā)生畸變。而沒有發(fā)生損傷的時候，由于晶體或薄膜內部較為均勻，不會產生散射色散等效應，從而其光斑應當為圓斑。因此能夠通過觀察光斑與否發(fā)生畸變而作為判斷薄膜與否發(fā)生損傷的判據。此辦法也能夠結合圖像解決法進行判斷，從而減小認為引入的誤差。原理與用顯微鏡觀察的圖像解決法相似，在此不再贅述。3.11霧氣鑒別法有些狀況下，即使我們在損傷測試過程中看到了有閃光產生，激光對樣品產生了一定的破壞或者使得樣品表面發(fā)生了一定的變形，但是我們用肉眼或Nomarski顯微鏡卻并不能觀察到損傷。此時便能夠向樣品噴未達成環(huán)境飽和蒸汽壓的的氣體，則在噴氣后，已經產生的損傷就會放大，我們就能夠用眼睛或者Nomarski顯微鏡觀察到原來觀察不到的損傷。3.12其它辦法除了以上某些慣用的辦法，尚有某些其它不慣用或不成熟的探測辦法。例如化學法（運用顏色判斷等）、六角光柵法、激光損傷光斑直徑直接計算法、基于分數泰伯效應的計算法等。3.13小結以上介紹的多個辦法均可視為“可觀察的不可逆物理體現”的具體體現，多個辦法均含有其合理性，但也各有局限性，因此普通來說，在測定薄膜激光損傷閾值時，采用多個辦法同時進行鑒別，多個辦法互相佐證，以減小檢測時的人為因素和某個辦法的局限性，從而得到比較容易讓人信服的數據。需要注意的是在損傷較小的狀況下，在同一損傷實驗中，不同測試辦法可能得到不同的成果，這種現象時正常的，是由于不同探測辦法的敏捷度不同而造成的。在這種狀況下，應當多采用幾個辦法，綜合分析后再擬定損傷閾值的數值。4結束語激光損傷閾值的核心是精確的鑒定樣品損傷與否，精確的測定樣品的損傷及損傷閾值不僅是衡量激光抗損傷能力的原則，并且是研究激光損傷機理從而提高激光損傷閾值的必備條件。因此，激光損傷的鑒別和激光損傷閾值的擬定始終是一種含有挑戰(zhàn)性的課題，需要持續(xù)、進一步的研究。國內文獻中對Nomarski顯微鏡觀察法、等離子體閃光法、散射光鑒別法、透射反射法研究較多，但是其它辦法的研究相對較少，需要對這些辦法進行進一步研究以提高這些辦法的鑒定精確度及信服度。參考文獻：[1]胡建平、陳松林、趙春茁等.光學薄膜的激光損傷閾值測量[J].中國科協(xié)年會論文集（下冊）,[2]JuergenBecker,AchimBernhardt.ISO112