光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷的高靈敏快速在線探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)薄膜及元件的激光損傷與壽命測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用，特別涉及一種光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷的高靈敏快速在線探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)薄膜及元件的激光損傷問(wèn)題一直是限制激光器向更高能量和功率發(fā)展、并影響整個(gè)激光應(yīng)用系統(tǒng)使用壽命的主要因素之一。研究提高光學(xué)薄膜及元件的抗激光損傷閾值具有非常重要的實(shí)際意義。
[0003]進(jìn)行光學(xué)薄膜及元件抗激光損傷閾值測(cè)試的前提之一是對(duì)光學(xué)薄膜及元件的表面損傷進(jìn)行探測(cè)和判別，光學(xué)薄膜及元件的表面損傷探測(cè)和判別結(jié)果對(duì)于光學(xué)薄膜及元件抗激光損傷閾值測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性具有重要影響。目前實(shí)際用于光學(xué)薄膜及元件激光損傷判定的方法包括等離子體閃光法、光熱偏轉(zhuǎn)法、微分干涉顯微鏡觀測(cè)法及光散射法。等離子體閃光法是根據(jù)激光輻射過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體閃光作為判斷損傷是否發(fā)生的依據(jù)，存在一定的非客觀性，且等離子體閃光強(qiáng)度和光學(xué)薄膜及元件損傷程度之間并不存在定量的關(guān)系。上述因素導(dǎo)致等離子體閃光法用于光學(xué)薄膜及元件激光損傷判定存在著明顯的不足，尤其是在光學(xué)薄膜及元件激光損傷的在線檢測(cè)應(yīng)用中。光熱偏轉(zhuǎn)法是利用激光輻射過(guò)程中輻照點(diǎn)位置產(chǎn)生熱形變導(dǎo)致監(jiān)測(cè)光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以此作為判定光學(xué)薄膜及元件是否被激光損傷的依據(jù)。這種方法具有較高的靈敏度，但是這也導(dǎo)致其會(huì)出現(xiàn)一些誤判。
[0004]在光學(xué)薄膜及元件激光損傷測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21254(參見(jiàn)文獻(xiàn)2011 “Testmethods for laser-1nduced damage threshold，，，Internat1nal Organizat1n forStandardizat1n.)中，選擇微分干涉顯微鏡法作為光學(xué)薄膜及元件激光損傷離線檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法。這種方法依據(jù)在放大倍率100-200倍時(shí)，能否觀察到損傷作為光學(xué)薄膜及元件是否損傷的判斷標(biāo)準(zhǔn)。這種方法準(zhǔn)確性較高，結(jié)果相對(duì)直觀，易于比較判別，但是在實(shí)際使用中也存在一些不足之處:首先當(dāng)樣品的輻射點(diǎn)損傷不明顯時(shí)，其損傷形貌難于在離線顯微鏡中被準(zhǔn)確定位，由此會(huì)帶來(lái)是否損傷判斷的失誤；其次，在微分干涉顯微鏡觀測(cè)中，由于其照明強(qiáng)度相對(duì)較弱及觀察面聚焦的問(wèn)題，當(dāng)放大倍率超過(guò)200倍時(shí)，顯微成像的清晰度將退化，使得表面形貌的觀察和準(zhǔn)確判斷存在困難，難于觀察判別尺寸更小或微弱的損傷形貌，由此制約了這種方法的靈敏度。
[0005]作為微分干涉顯微鏡法的補(bǔ)充，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21254將光散射法作為光學(xué)薄膜及元件激光損傷在線檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法。這種方法是通過(guò)比較激光輻照前后，光學(xué)薄膜及元件表面對(duì)He-Ne激光散射的強(qiáng)弱變化來(lái)判定被輻照表面是否發(fā)生損傷。在其它因素不變的情況下，He-Ne光散射的強(qiáng)度與光學(xué)薄膜及元件表面的損傷程度存在定量的關(guān)系，即光學(xué)薄膜及元件表面損傷越嚴(yán)重，所探測(cè)到的He-Ne光散射強(qiáng)度越強(qiáng)。作為一種弱信號(hào)檢測(cè)，He-Ne散射光的探測(cè)通常采用鎖相信號(hào)放大探測(cè)方法，其靈敏度較高，探測(cè)響應(yīng)速率也較快。因此，He-Ne光散射法是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的光學(xué)薄膜及元件激光損傷在線探測(cè)方法。但是He-Ne光散射法探測(cè)結(jié)果受輻射區(qū)域薄膜樣品表面Ne-He光束的穩(wěn)定性以及弱信號(hào)探測(cè)過(guò)程中的電放大等因素的影響較大，其探測(cè)結(jié)果存在一定的誤差，由此制約了這種方法的廣泛有效應(yīng)用。
[0006]近年來(lái)，隨著CCD相機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員開(kāi)始嘗試將顯微鏡和CCD相機(jī)結(jié)合起來(lái)使用，實(shí)時(shí)在線觀察被激光輻射區(qū)域的樣品表面，用于光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷的在線判別技術(shù)。這種方法實(shí)質(zhì)上與離線的微分干涉顯微鏡法類似，因此具有直觀可靠的特點(diǎn)。但是在實(shí)際使用中，由于受CCD相機(jī)的響應(yīng)速率和圖像處理速率的制約，這種方法可實(shí)現(xiàn)的探測(cè)速率受到制約，只能用于相對(duì)較低的測(cè)試重頻。此外，目前這種方法一般均采用損傷輻照激光作為顯微成像的照明光源，在實(shí)際使用過(guò)程中受成像照明光源均勻性和穩(wěn)定性的影響嚴(yán)重。
[0007]綜上所述，盡管目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21254已對(duì)光學(xué)薄膜及元件激光損傷與壽命測(cè)試中元件表面損傷的判別方法進(jìn)行了明確規(guī)定，但是，在實(shí)際工作開(kāi)展中，往往只采用上述三種方法中的某種方法，而由上面的分析知道，上述三種方法目前均存在明顯不足，使得現(xiàn)有方法探測(cè)靈敏度不理想，尤其是元件損傷的在線快速探測(cè)方面存在明顯不足，隨著對(duì)光學(xué)薄膜及元件激光表面損傷的判別靈敏度要求的進(jìn)一步提高，急需發(fā)展具有更高靈敏度和可靠性的光學(xué)薄膜及元件激光損傷在線快速探測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服光學(xué)薄膜及元件在激光損傷與壽命測(cè)試中其表面損傷的高靈敏度快速在線探測(cè)技術(shù)存在的缺陷，進(jìn)一步提高光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷與壽命測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，本發(fā)明提供一種光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷的高靈敏快速在線探測(cè)方法。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷的高靈敏快速在線探測(cè)，本發(fā)明將He-Ne光散射法和在線顯微CCD探測(cè)法結(jié)合起來(lái)，利用這兩種方法各自的特點(diǎn)，使這兩種方法既相互補(bǔ)充，又相互促進(jìn)。首先，通過(guò)以下方法提高現(xiàn)有He-Ne散射光法的探測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性:1)通過(guò)在傳輸光路中的He-Ne光束束腰等合適的位置處，采用光闌將He-Ne光束傳輸過(guò)程的雜散光盡可能屏蔽掉，選擇合適的散射收集位置、角度和范圍，及優(yōu)化散射信號(hào)的鎖相放大探測(cè)的參數(shù)，盡可能降低散射光信號(hào)探測(cè)值的波動(dòng)，提高探測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性；2)借助在線顯微CCD成像功能，利用柱面鏡和透鏡等組合對(duì)He-Ne光束進(jìn)行合理整形，使得在光學(xué)薄膜及元件表面被激光輻照位置處，He-Ne光束的位置和大小與激光損傷輻射光束的位置和大小盡可能一致，并且光束能量分布盡可能均勻，降低非激光損傷輻照位置散射光的影響，從而最大限度地提高探測(cè)的靈敏度和有效性。其次，借助光學(xué)薄膜及元件樣品表面的被輻照位置處He-Ne光的均勻強(qiáng)光照明功能，使得光學(xué)薄膜及元件樣品被輻照表面的在線顯微CCD成像探測(cè)的對(duì)比度顯著提高，從而可以準(zhǔn)確探測(cè)到更微小或微弱的損傷，大大提高光學(xué)薄膜及元件樣品表面激光損傷探測(cè)的靈敏性和準(zhǔn)確性。
[0010]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下:
[0011]光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷的高靈敏快速在線探測(cè)方法，其以He-Ne光散射探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的He-Ne光散射探測(cè)法作為主要探測(cè)方法，以在線顯微CCD探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的顯微CCD成像探測(cè)法作為輔助探測(cè)方法，針對(duì)每一個(gè)測(cè)試樣品點(diǎn)，首先采用所述的He-Ne光散射探測(cè)法作為光學(xué)薄膜及元件表面激光損傷判別的依據(jù)，若He-Ne光散射探測(cè)法的探測(cè)結(jié)果顯示光學(xué)薄膜及元件表面發(fā)生損傷，則暫停He-Ne光散射探測(cè)法，記錄輻射激光的脈沖數(shù)，然后利用顯微CCD成像探測(cè)法的結(jié)果對(duì)He-Ne光散射探測(cè)法的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，之后采用上述相同的方法進(jìn)行下一個(gè)測(cè)試樣品點(diǎn)的測(cè)試，進(jìn)而完成光學(xué)薄膜及元件整個(gè)表面激光損傷的探測(cè)。
[0012]上述He-Ne光散射探測(cè)裝置包括:He-Ne激光器、斬波器、聚焦透鏡組、平面反射鏡、x-y 二維電移臺(tái)、光擋、散射光收集鏡、Si光電放大器和鎖相放大器；He_Ne激光器發(fā)射He-Ne激光，經(jīng)斬波器產(chǎn)生調(diào)制He-Ne激光脈沖，進(jìn)入整形聚焦透鏡組，聚焦后的He-Ne激光脈沖入射到平面反射鏡，通過(guò)χ-y 二維電移臺(tái)調(diào)整被測(cè)試光學(xué)薄膜元件的角度，使得經(jīng)平面反射鏡反射后的光線以55°角度斜入射到被測(cè)試光學(xué)薄膜元件表面，并沿與被測(cè)試光學(xué)薄膜元件表面法線成55°方向反射，在反射光路中放置光擋將He-Ne反射光束擋住，在光擋后面放置散射光收集鏡用于收集被測(cè)試光學(xué)薄膜元件表面產(chǎn)生的He-Ne散射光，散射光收集鏡的光軸方向與He-Ne光束反射方向成10°?20°夾角，在散射光收集鏡的后聚焦點(diǎn)處放置Si光電放大器，Si光電放大器產(chǎn)生的電信號(hào)傳輸?shù)芥i相放大器中，產(chǎn)生一個(gè)直流電壓信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)中。
[0013]上述He-Ne光散射探測(cè)法包括如下步驟:首先在激光輻射被測(cè)試光學(xué)薄膜元件表面之前，由所述He-N