專(zhuān)利名稱(chēng)：薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷閾值測(cè)試裝置技術(shù)領(lǐng)域， 特別涉及一種薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置。
背景技術(shù)：
在大功率高能量激光系統(tǒng)中，存在大量的薄膜元件，這些元件的抗激光損傷能力 與系統(tǒng)能否正常有效運(yùn)行密切相關(guān)。已有研究表明，薄膜元件在強(qiáng)激光下的破壞完全由元 件表面薄膜的抗激光能力所決定。因此，隨著高功率激光器應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，薄膜抗激 光損傷性能的重要性日益突出，以致激光損傷閾值成為光學(xué)薄膜元件不可缺少的一項(xiàng)性能 指標(biāo)。薄膜必須具有高的激光損傷閾值已經(jīng)成為光學(xué)元件抗激光性能的瓶頸，解決這一問(wèn) 題對(duì)大功率激光系統(tǒng)的應(yīng)用及激光加固具有重要的意義。而要解決這一問(wèn)題，關(guān)鍵在于準(zhǔn) 確測(cè)出薄膜的激光損傷閾值，因而對(duì)光學(xué)薄膜激光損傷閾值的測(cè)試也就成為亟待解決的技 術(shù)問(wèn)題。在激光損傷閾值測(cè)試過(guò)程中，如何在線(xiàn)、實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的判別薄膜是否損傷成為 研究的核心一環(huán)。多年來(lái)，國(guó)外對(duì)激光與光學(xué)介質(zhì)薄膜損傷過(guò)程和閾值測(cè)試方法的研究始終是熱點(diǎn) 之一。2000年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)頒布了 IS011254-1和IS011254-2，這是對(duì)激光引起光學(xué) 薄膜損傷而制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但是，直至今日，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)符合相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的成型測(cè)試儀 器和設(shè)備，其主要原因在于絕大多數(shù)情況下，對(duì)薄膜損傷的判別采用相襯顯微法，而這種方 法主要靠目視來(lái)實(shí)現(xiàn)，測(cè)試效率低，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化及高速測(cè)量。關(guān)于薄膜樣品的激光損傷閾值計(jì)算方式，目前最多使用的有R-οη-Ι和1-on-l兩 種方式。其中R-οη-Ι損傷測(cè)試方式是指對(duì)于被測(cè)樣品上的同一點(diǎn)，用遞增的激光能量重復(fù) 照射樣品，直到產(chǎn)生損傷為止。測(cè)試時(shí)要求初始激光能量遠(yuǎn)小于樣品的損傷閾值，記錄下造 成樣品損傷的脈沖激光能量，即認(rèn)為是該點(diǎn)的損傷閾值。測(cè)出同一樣品上多個(gè)點(diǎn)的損傷閾 值，求出平均值即為被測(cè)樣品的損傷閾值。該種方法由于要對(duì)樣品同一點(diǎn)上進(jìn)行多次激光 照射，因此存在激光預(yù)處理效應(yīng)，所以很難測(cè)到樣品的準(zhǔn)確損傷閾值。1-on-l為零幾率損傷 法，即用同一能量的單脈沖照射m個(gè)點(diǎn)，記錄下?lián)p傷的次數(shù)η。則每個(gè)能量激光輻照損傷概 率P = n/m。改變能量，再測(cè)出該能量下的損傷概率，包括損傷幾率為0和100%的能量點(diǎn)。 以激光能量為橫軸，損傷幾率為縱軸，得出損傷幾率與激光能量點(diǎn)的分布，再用直線(xiàn)擬合并 外推到零損傷幾率，所對(duì)應(yīng)的激光能量值即為損傷閾值。然而，目前存在較大爭(zhēng)議的是對(duì)于薄膜損傷與否的判別方式，即薄膜發(fā)生怎樣的 變化就認(rèn)為發(fā)生了損傷。目前判別薄膜損傷的方法主要有相襯顯微法、散射光強(qiáng)檢測(cè)法、光 聲測(cè)量法、光熱法等，各種判定方法各有其優(yōu)劣性。其中相襯顯微法是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011254 所推薦的一種檢測(cè)方法，這種方法采用放大倍率為100-150倍的Normaski顯微鏡對(duì)激光 輻照后的薄膜樣片進(jìn)行觀測(cè)，以判別薄膜是否發(fā)生損傷，這種方法的主觀性很強(qiáng)，由于個(gè)體 視覺(jué)的差異，不同的測(cè)試者可能得到不同的判別結(jié)果，從而導(dǎo)致薄膜激光損傷閾值最終結(jié) 果失真，而且這種方法工作強(qiáng)度大，測(cè)試效率低，難以實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化；散射光強(qiáng)方法的原理是當(dāng)激光以一定的角度斜入射在樣品上時(shí)，如果表面的反射點(diǎn)處無(wú)疵點(diǎn)，則反射光將按幾何光學(xué)給出的規(guī)律反射，若不讓反射主光線(xiàn)進(jìn)入光電接收器，就幾乎沒(méi)有電信號(hào) 輸出。當(dāng)表面的反射點(diǎn)處不光滑，或被激光照射后產(chǎn)生損傷，則主光線(xiàn)中相當(dāng)部分能量不 能定向，而要產(chǎn)生散射，對(duì)應(yīng)光電接收器就有電信號(hào)輸出，通過(guò)探測(cè)光電接收器有無(wú)電信號(hào) 輸出，實(shí)際上是探測(cè)激光輻射前后電信號(hào)的變化就可判斷激光照射點(diǎn)是否被損傷，此方法 消除了人為因素的干擾，但這種方法對(duì)于樣片表面光潔度不高，表面反射率較低的情下，判 別存在較大的誤差和誤判的現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)薄膜的厚度不大時(shí)，光強(qiáng)散射法的靈敏度也不 高。上述這兩種方法還存在的共有問(wèn)題是對(duì)薄膜的種類(lèi)要求高，適應(yīng)性差，只有對(duì)明確的 特定薄膜才能進(jìn)行測(cè)試并給出損傷結(jié)果，否則測(cè)試結(jié)果將存在較大的誤差或給出誤判的結(jié) 果，影響使用，比如高反射膜及增透膜損傷后的對(duì)比度不同，相襯顯微法判別的誤差大小也 不同；散射光則對(duì)于厚度較小薄膜很不明顯，這就要求有相應(yīng)的儀器進(jìn)行測(cè)試，在明確種類(lèi) 后，才能選擇合適的方法和設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，這無(wú)疑是很難做到的，增加了大量的測(cè)試成本， 因此上述方法和設(shè)備的應(yīng)用受到嚴(yán)重制約
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置，以 克服現(xiàn)有技術(shù)存在的測(cè)試結(jié)果存在較大的誤差、存在誤判可能并且對(duì)各種薄膜材料適應(yīng)性 差，因此實(shí)用性差的問(wèn)題。本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案是一種薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝 置，包括測(cè)試組件和處理組件，其中測(cè)試組件包括設(shè)置于一條主光軸上的Nd: YAG激光器、 開(kāi)關(guān)擋板，衰減器，第一分束器、聚焦透鏡、第二分束器和樣片臺(tái)，還包括光束分析儀和能量 計(jì)，其特殊之處在于，測(cè)試組件中還包括輔助激光器、光電二極管陣列、會(huì)聚透鏡、光電探測(cè) 器件和CCD照相機(jī)，其中輔助激光器偏離主光軸設(shè)置，其發(fā)射光束朝向樣片臺(tái)，所述CCD照 相機(jī)設(shè)置于輔助激光器反射光束與主光軸之間的區(qū)域，所述光電二極管陣列位于樣片表面 法線(xiàn)30 60度的錐角內(nèi)，所述會(huì)聚透鏡和光電探測(cè)器件依次位于輔助激光器的鏡像反射 光束上，會(huì)聚透鏡的中部區(qū)域鍍制吸光膜，吸光膜覆蓋區(qū)域應(yīng)大于輔助激光器輸出光斑直 徑的2倍 5倍，處理組件包括計(jì)算機(jī)。上述光電探測(cè)器件的空間位置在輔助光束與法線(xiàn)的平面內(nèi)，且與輔助光線(xiàn)以法線(xiàn) 為對(duì)稱(chēng)。上述輔助激光器偏離主光軸45度設(shè)置；上述光電二極管陣列位于樣片表面法線(xiàn) 60度位置。上述會(huì)聚透鏡上吸光膜覆蓋區(qū)域應(yīng)為輔助激光器輸出光斑直徑的2倍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、誤差極小且無(wú)誤判發(fā)生本實(shí)用新型將散射光強(qiáng)方法和改進(jìn)為CXD攝像顯微判 別法的相襯顯微法同時(shí)引進(jìn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，更進(jìn)一步將等離子探測(cè)法引入本實(shí)用新型中。離子 探測(cè)法的機(jī)理是基于高功率激光與光學(xué)表面相互作用時(shí)將離化構(gòu)成光學(xué)表面的物質(zhì)，從而 產(chǎn)生自由電子和離子，即等離子體，目前它被廣泛應(yīng)用于薄膜的光譜分析領(lǐng)域，本實(shí)用新型 通過(guò)判斷光敏元件探測(cè)激光與光學(xué)表面相互作用時(shí)，是否產(chǎn)生等離子體閃光來(lái)判斷是否存 在損傷。同時(shí)針對(duì)散射光強(qiáng)法進(jìn)行了改進(jìn)因?yàn)闊o(wú)論薄膜表面是否損傷，鏡像反射方向的光強(qiáng)均最大，因此為了消除鏡像反射光的影響而將會(huì)聚透鏡的中部進(jìn)行了處理，使中部光線(xiàn) 不能通過(guò)，而僅僅讓周?chē)纳⑸涔饩鶆蛲高^(guò)，這樣才可使用光電接收器件準(zhǔn)確探測(cè)到散射 光(薄膜未損傷時(shí)無(wú)散射光，光電器件則無(wú)輸出；薄膜損傷后有散射光，光電器件有輸出)， 即可判別是否在光學(xué)表面有損傷的現(xiàn)象。2、適應(yīng)性強(qiáng)本實(shí)用新型所提供的薄膜激光損傷閾值測(cè)量裝置既可以直觀看到激 光與物質(zhì)的作用過(guò)程，可以實(shí)時(shí)看見(jiàn)損傷形貌，又可以探測(cè)到薄膜損傷所引起的光學(xué)性能 變化。適用于各類(lèi)光學(xué)元件及薄膜表面，可用于判別各種類(lèi)型的薄膜損傷，薄膜的種類(lèi)范圍 寬，無(wú)論是反射膜、增透膜、薄膜、厚膜均可實(shí)現(xiàn)高精度的判別，具有快速、準(zhǔn)確、全方位監(jiān)測(cè) 的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化過(guò)程。3、實(shí)用性強(qiáng)本實(shí)用新型經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論計(jì)算與分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明該系 統(tǒng)不僅可行，而且性能良好。其穩(wěn)定測(cè)量速度快，對(duì)薄膜激光損傷閾值的獲得可以在IOOs 內(nèi)完成；靈敏度高，重復(fù)性好；可實(shí)現(xiàn)智能化，因此在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。1-Nd: YAG激光器，2-開(kāi)關(guān)擋板，3_衰減器，4_第一分束器，5_聚焦透鏡，6_第二 分束器，7-輔助激光器，8-光電二極管陣列，9-樣片臺(tái)，10-會(huì)聚透鏡，11-光電探測(cè)器件， 12-CXD照相機(jī)，13-光束分析儀，14-能量計(jì)，15-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，一種薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置，包括測(cè)試組件和處理 組件。其中測(cè)試組件包括設(shè)置于一條主光軸上的Nd:YAG激光器1、開(kāi)關(guān)擋板2，衰減器3， 第一分束器4、聚焦透鏡5、第二分束器6、輔助激光器7、光電二極管陣列8、樣片臺(tái)9、會(huì)聚 透鏡10、光電探測(cè)器件11、CCD照相機(jī)12、光束分析儀13和能量計(jì)14。其中輔助激光器7 偏離主光軸45度設(shè)置，其發(fā)射光束朝向樣片臺(tái)9，所說(shuō)的CCD照相機(jī)12設(shè)置于輔助激光器 7反射光束與主光軸之間的區(qū)域；所說(shuō)的光電二極管陣列8位于樣片表面法線(xiàn)60度的錐角 內(nèi)；所說(shuō)的會(huì)聚透鏡10和光電探測(cè)器件11依次位于輔助激光器7的反射光束上，會(huì)聚透鏡 10的中部區(qū)域鍍制吸光膜，吸光膜覆蓋區(qū)域?yàn)檩o助激光器輸出光斑直徑的2倍。所說(shuō)的處 理組件包括計(jì)算機(jī)15。上述裝置的測(cè)試過(guò)程是，首先利用測(cè)試組件中輔助光源(He-Ne激光器)發(fā)出激光 輻照在樣品表面，當(dāng)測(cè)試激光(Nd:YAG激光器)作用于樣品表面并引起薄膜損傷后，CCD照 相機(jī)12、光電二極管陣列8和光電探測(cè)器件11同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果采用CCD攝像顯微 判別法、散射光強(qiáng)法和等離子體閃光法來(lái)判別不同類(lèi)型薄膜樣品是否發(fā)生損傷，判別標(biāo)準(zhǔn) 是一項(xiàng)顯示損傷即確定。在光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷閾值測(cè)量時(shí)，準(zhǔn)確而快速判別薄膜是否損傷是得 到正確結(jié)果的關(guān)鍵。該裝置的工作過(guò)程是由Nd: YAG激光器1發(fā)出的高能量激光(波長(zhǎng) 1064nm，脈寬12ns，單脈沖能量為400mJ)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)擋板2，衰減器3，第一分束器4，聚焦透 鏡5和第二分束器6后，會(huì)聚在樣品臺(tái)9上。為了得到穩(wěn)定輸出的激光脈沖，采用開(kāi)關(guān)擋板 2遮擋住激光器工作剛開(kāi)始時(shí)的輸出。衰減器3采用一塊起偏器和一塊檢偏器進(jìn)行組合的 消光方式，以得到不同能量輸出的激光能量。第一分束器4和第二分束器6采用100 1
5的分光比，使能量計(jì)和光束分析儀上得到的光能量較小。聚焦透鏡5的作用在于將光斑會(huì) 聚成0. 5mm的光斑，以會(huì)聚極高的功率密度作用在薄膜表面。關(guān)于薄膜表面受到激光輻照后，是否發(fā)生損傷，采用光電二級(jí)管陣列來(lái)接收等離 子體閃光的光照度，可以提高響應(yīng)時(shí)間及探測(cè)的靈敏度。CCD成像系統(tǒng)內(nèi)安置有一級(jí)放大、 二級(jí)顯微的組合光學(xué)系統(tǒng)，放大倍率為150倍。用于檢測(cè)散射光強(qiáng)的光電探測(cè)器件11為高 靈敏度的硅光電池(或硒光電池)，其前面具有會(huì)聚透鏡10，作用在于將大發(fā)散角的光線(xiàn)會(huì) 聚于探測(cè)器表面，進(jìn)一步提高探測(cè)的靈敏度。在透鏡中心鍍制吸光膜，用以吸收來(lái)自鏡像的 反射光，從而保證只能探測(cè)到散射光。樣片臺(tái)7具有二微精密移動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自 動(dòng)移動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)首先對(duì)光電二極管陣列8、光電探測(cè)器件 11的信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)將CCD拍攝的照片實(shí)時(shí)傳遞給顯示器，并將結(jié)果進(jìn)行圖像處理與 分析。只要三種信號(hào)中任一路判別出薄膜損傷，即認(rèn)為樣品發(fā)生了損傷。光電探測(cè)器件11 的空間位置應(yīng)該放在輔助光束與法線(xiàn)的平面內(nèi)，且與輔助光線(xiàn)以法線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)。整個(gè)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，首先，計(jì)算機(jī)將指令發(fā)送給激光器開(kāi)始工作， 待工作穩(wěn)定后，控制開(kāi)關(guān)擋板的開(kāi)啟來(lái)輸出脈沖激光。根據(jù)標(biāo)定的衰減器偏轉(zhuǎn)角，調(diào)節(jié)檢偏 器角度以保證輸出的激光能量符合要求。當(dāng)脈沖作用后，能量計(jì)及光束分析儀實(shí)時(shí)記錄下 當(dāng)前脈沖的能量和光斑的大小，并反饋給計(jì)算機(jī)。如果三種檢測(cè)器至少之一發(fā)生響應(yīng)，并將 電信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，即認(rèn)為薄膜表面發(fā)生了損傷。計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理后，發(fā)送下一個(gè)激 光脈沖，重復(fù)以上過(guò)程進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，直到完成10個(gè)能級(jí)100個(gè)點(diǎn)的測(cè)量。這一過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合和數(shù)據(jù) 處理，最終得到薄膜的激光損傷閾值，并將擬合結(jié)果顯示在觸摸屏上，還可以從打印機(jī)進(jìn)行 輸出。本實(shí)用新型中各種判別方法采用了“與”的邏輯關(guān)系，即一個(gè)方法判別出損傷發(fā)生 即認(rèn)為薄膜已經(jīng)損壞。由于散射光強(qiáng)法在薄膜厚度較大時(shí)比較明顯，而等離子體閃光法則 對(duì)十分薄的膜也很有效，顯微觀測(cè)法雖不受這些影響，但圖像處理復(fù)雜、判別速率慢，因此 只要散射光強(qiáng)法或等離子體閃光法已經(jīng)判別出薄膜損傷，則不進(jìn)行圖像處理。將這幾種方 法的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步擴(kuò)展了損傷判別范圍，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的智能化、集成化及自動(dòng) 化過(guò)程。
權(quán)利要求一種薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置，包括測(cè)試組件和處理組件，其中測(cè)試組件包括設(shè)置于一條主光軸上的Nd:YAG激光器(1)、開(kāi)關(guān)擋板(2)，衰減器(3)，第一分束器(4)、聚焦透鏡(5)、第二分束器(6)和樣片臺(tái)(9)，還包括光束分析儀(13)和能量計(jì)(14)，其特征在于測(cè)試組件中還包括輔助激光器(7)、光電二極管陣列(8)、會(huì)聚透鏡(10)、光電探測(cè)器件(11)和CCD照相機(jī)(12)，其中輔助激光器(7)偏離主光軸設(shè)置，其發(fā)射光束朝向樣片臺(tái)(9)，所述CCD照相機(jī)(12)設(shè)置于輔助激光器(7)反射光束與主光軸之間的區(qū)域，所述光電二極管陣列(8)位于樣片表面法線(xiàn)30～60度的錐角內(nèi)，所述會(huì)聚透鏡(10)和光電探測(cè)器件(11)依次位于輔助激光器(7)的鏡像反射光束上，會(huì)聚透鏡(10)的中部區(qū)域鍍制吸光膜，吸光膜覆蓋區(qū)域應(yīng)大于輔助激光器輸出光斑直徑的2倍～5倍，處理組件包括計(jì)算機(jī)(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置，其特征在于 所述光電探測(cè)器件(11)的空間位置在輔助光束與法線(xiàn)的平面內(nèi)，且與輔助光線(xiàn)以法線(xiàn)為 對(duì)稱(chēng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置，其特征在于 所述輔助激光器(7)偏離主光軸45度設(shè)置；所述光電二極管陣列(8)位于樣片表面法線(xiàn)60 度位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置，其特征在于 所述會(huì)聚透鏡(10)上吸光膜覆蓋區(qū)域應(yīng)為輔助激光器輸出光斑直徑的2倍。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置。由于現(xiàn)有測(cè)試裝置的測(cè)試結(jié)果存在較大的誤差、存在誤判可能并且對(duì)各種薄膜材料適應(yīng)性差，因此實(shí)用性差的問(wèn)題。本實(shí)用新型的一種薄膜及光學(xué)元件激光損傷閾值組合測(cè)試裝置，包括測(cè)試組件和處理組件，其中測(cè)試組件包括設(shè)置于一條主光軸上的Nd:YAG激光器、開(kāi)關(guān)擋板，衰減器，第一分束器、聚焦透鏡、第二分束器和樣片臺(tái)，還包括光束分析儀和能量計(jì)、輔助激光器、光電二極管陣列、會(huì)聚透鏡、光電探測(cè)器件和CCD照相機(jī)，其中輔助激光器偏離主光軸設(shè)置，其發(fā)射光束朝向樣片臺(tái)；處理組件包括計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型的此種結(jié)構(gòu)誤差極小且無(wú)誤判發(fā)生、適應(yīng)性和實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01N21/88GK201622245SQ20092024557
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者徐均琪, 惠迎雪, 朱昌, 楊利紅, 杭凌俠, 梁海鋒, 蘇俊宏 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)