引言

随着CO₂激光器、化学激光器、板条激光器以及光纤激光器等各类激光器的发展, 激光器功率不断取得新的突破, 高功率激光器的应用也越来越广泛。而光学薄膜作为光学系统以及某些激光器的重要组成元素一直是激光功率提高的瓶颈^[1], 光学薄膜激光损伤的判定与提高也一直是高功率激光系统中的一项关键技术。

国际标准协会早在1995年便颁布了ISO11254光学表面(薄膜)激光损伤阈值测试标准^[2], 但该标准需要采用Nomarski相称显微镜、光斑质量分析仪等设备, 因操作复杂及对专业水平要求较高, 并不适合企业的流水线化要求。等离子体闪光法、反射率透射率测量法、散射光强测量法等虽然一定程度上消除了显微镜观察法的主观误差, 但是因探测器成本昂贵以及对环境要求苛刻等, 也决定了其并不能在光学工厂中广泛应用。

本文按照国际标准ISO11254, 建立了基于散射光测量、图像自动处理技术以及灰度值作为判据的光学薄膜激光损伤阈值测量系统。该系统具有成本低、操作简单、稳定性强等优点, 能实现薄膜损伤的在线检测和提高检测效率。

1 测量系统工作原理及参数 1.1 光路系统及测试方法

图 1为光学薄膜激光损伤阈值测量系统光路图。激光光源为调Q Nd:YAG激光器, 波长为1 064 nm, 水平线偏振, 输出模式为TEM₀₀, 脉宽为6.46 ns, 工作频率为1~10 Hz可调。衰减器由未镀膜石英材质半波片与格兰-泰勒棱镜组成。

经衰减后的激光经会聚透镜聚焦后照在位于二维平移台上的待测样品上。测量光路由20 mW半导体激光器、小孔光阑、扩束镜及CCD/CMOS组成。CCD/CMOS连接电脑, 并由程序对激光辐照前后的图像进行处理, 以判断损伤与否。激光光斑面积由光敏相纸进行测量, 并结合高斯光束理论, 对相纸测量结果进行处理与分析, 以得到有效光斑面积。

测量方法采用S-ON-1法, 暗场下测量, Nd:YAG激光器采用10 Hz重频模式, 每个能量下样品选取20个测试点, 每个点辐照100次, 测试点间的间隔大于3倍样品表面处光斑直径, 以避免激光预处理效应的影响^[3]。薄膜损伤阈值采用0损伤概率阈值定义, 其定义如下:

(1)

(2)

式中:D_th为损伤阈值; S为阈值的扩展范围; F_max(ND)与F_min(D)分别为薄膜最大不损伤能量密度和薄膜最小损伤能量密度。

1.2 系统核心参数的确定

激光损伤阈值测试系统中主要参数有:激光光束空域与时域分布, 单脉冲能量, 激光光斑在样品辐照点处的有效光斑面积。

我们采用半波片不同旋转角度来调节不同脉冲能量, 并将能量计放在样品位置处进行定标, 以确定半波片角度(半波片夹具上标注的角度)与样品处激光能量的关系。有效光斑面积采用光敏相纸法结合高斯光束理论进行分析。激光空域与时域分布则由激光器厂家提供的参数确定。

由于采用了半波片与格兰-泰勒棱镜组合而成的衰减器系统, 由偏振理论与矩阵光学可知, 经过衰减器衰减得到的输出激光能量与输入激光能量成余弦关系。假设波片角度为θ, 经过该衰减器后的光能量为y, 则y与θ之间存在函数关系:

(3)

式中β、α、ψ均为修正因子。我们将能量计放置在待测样品处对单脉冲能量进行了测量, 并在式(3)的基础上通过实际测得的数据拟合得到:

(4)

该式表述了半波片不同角度下对应的不同能量, 由图 2可见, 拟合数据与实测数据匹配较好。

光斑有效面积也是系统中的一个重要参数, 它的准确性直接影响着最终测量的激光能量密度值的准确性。由于测量光斑直径的CCD成本高昂, 一般企业很难负担, 此处我们采用光敏相纸法结合高斯理论对有效光斑面积进行分析。光斑直径的确定采用可变孔径测试法^[5], 即将可变光阑放置在激光器与能量计之间, 调节可变光阑, 让透过的能量为不加光阑时的86.5%, 测量此时可变光阑的直径d₂, 则根据理论修正公式:

(5)

可得到实际高斯光束直径d₁, 式中m²为光束传输比。用相纸测量聚焦处光斑直径d₃, 则聚焦处光斑直径d₄定义为:

(6)

当激光为TEM₀₀模高斯光束时, 根据ISO 11254标准, 光斑有效面积定义为:

(7)

由式(7)可得该系统中有效光斑面积为0.043 cm²。

由于相纸法不能显示出激光束的空间分布, 并且相纸存在一定的显像阈值和光斑显像区扩散现象, 因此该方法确定的有效光斑面积会有一定的误差, 但由于其成本低廉, 方便快捷, 在工厂应用较为广泛。需要指出的是, 大多数工厂在用此方法时, 直接用相纸显像的面积作为光斑有效面积^[6]是不正确的。

2 测量结果及分析 2.1 薄膜样品

镀膜基片为φ40 mm×5 mm的K9光学玻璃, 表面粗糙度小于1 nm, 基片镀膜前用酒精和乙醚混合液擦洗干净, 并用超声波清洗机清洗。

实验用的增透膜采用SiO₂与TiO₂膜堆, 利用真空电子蒸镀并辅以离子束辅助镀制而成。膜系由12层组成, 中心波长为1 064 nm。

2.2 测量结果

薄膜激光损伤阈值的测量按照前述测量方法以及相关标准进行。图 3显示了样品激光照射前后以及图像处理后的相关信息。由图像可知, 当待测薄膜元件发生损伤后, 散射光的能量分布会发生变化, 由于采用图像处理法代替了人眼观察法, 可以更为明显地观察到薄膜损伤与否。将“相减”图像与图 4中Veeco白光轮廓仪观测到的损伤形貌对比, 发现薄膜发生的损伤越严重, 散射光的图像灰度值改变越大, 元件表面的表面粗糙度也会随着辐照在薄膜上激光能量的变大而变大。从“相减”图 3(c)上提取出受激光照射的区域, 求算该区域所有像素点的灰度值, 为减小背景光对测量结果的影响, 选取该区域灰度值最大的前50个像素点, 对这50个像素点的灰度值取平均, 表 1是半波片处于不同角度时, 不同能量(由1.2节中半波片角度与能量的函数关系获得)的激光照在待测元件上时有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值及其损伤与否。

由表 1数据可以看出, 实验测量得到的平均灰度值会随着辐照在待测件上激光能量的增加而变大, 当半波片旋转到38°时, 用白光轮廓仪观察待测元件已经没有损伤, 测得的平均灰度值是背景光的平均灰度值。由大量实验数据按表 1方式分析处理后, 确定光斑图像有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值在25到33之间时为薄膜损伤的临界区域, 当该系统中平均灰度值大于33时薄膜一定会产生损伤, 当灰度值小于25时则薄膜不会产生损伤, 介于二者之间时则薄膜有一定概率的损伤。

由以上结论可得到该膜系损伤点数如表 2所示, 经过线性拟合后, 得膜系激光损伤阈值为7.9 J/cm², 如图 5所示, 误差来源主要为相纸对光斑面积的测量。

3 结论

构建了适用于企业的低成本、高效率的基于散射光以及图像处理分析的光学薄膜激光损伤阈值测试系统。对样品进行了散射法和白光轮廓仪微观形貌观察法的损伤阈值检测, 通过比较, 发现两种方法具有较好的一致性。

通过对散射图像的处理, 利用灰度值的大小作为判据, 提高了测量效率。通过对光敏相纸测量激光光斑方法的理论与实验分析, 指出了当今部分企标的不正确性, 并提出了解决方法。