專利名稱：薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法及其判定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法及其判定裝置。
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)，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)問題。在激光損傷閾值測(cè)試過程中，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速、在線的判別薄膜是否損傷成為研究的核心一環(huán)。為得到薄膜的激光損傷閾值，首要的條件是對(duì)薄膜在強(qiáng)激光作用下是否發(fā)生損傷做出快速準(zhǔn)確的判別，即薄膜發(fā)生怎樣的變化即認(rèn)為發(fā)生了損傷。目前判別薄膜及光學(xué)表面損傷的方法主要有相襯顯微法、散射光強(qiáng)檢測(cè)法、等離子體閃光法、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際標(biāo)準(zhǔn)IS0112M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)激光輻照后的表面進(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)， 而且工作強(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。探測(cè)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，若不讓反射主光線進(jìn)入光電接收器，就幾乎沒有電信號(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，則主光線中相當(dāng)部分能量不能定向反射，而是產(chǎn)生散射，對(duì)應(yīng)光電接收器就有電信號(hào)輸出，通過探測(cè)光電接收器有無電信號(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，此方法對(duì)被測(cè)樣品表面的光潔度要求高，如果激光輻射前表面光潔度不夠，即使激光輻射引起了損傷，探測(cè)器輸出電信號(hào)也不會(huì)有太大的變化，因而不能準(zhǔn)確地進(jìn)行損傷判別。等離子體閃光法也是判別激光損傷的一種常用方法，該方法的機(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。因此，通過光敏元件探測(cè)激光與光學(xué)表面相互作用時(shí)，是否產(chǎn)生等離子體閃光就可以判斷是否存在損傷。通常，檢測(cè)激光為單色光(如氦氖激光器發(fā)出的632. Snm的激光)，而等離子體閃光為復(fù)合光，因此需要消除作用激光對(duì)應(yīng)的光譜，才可以準(zhǔn)確探測(cè)到等離子體閃光，即可判別是否在光學(xué)表面有損傷的現(xiàn)象。常規(guī)的等離子體閃光判別法是在光學(xué)表面附近置一光電接收器件，當(dāng)存在閃光時(shí)，光電接收器件將輸出一電平信號(hào)，這是目前國內(nèi)外基于等離子體閃光判別薄膜是否損傷的唯一方法，即以光強(qiáng)變化作為損傷與否的判據(jù)。也就是說，常規(guī)的等離子體閃光法依據(jù)的是有無光強(qiáng)信號(hào)的變化，即只要出現(xiàn)閃光，就認(rèn)為薄膜發(fā)生了損傷。然而，遺憾的是，當(dāng)激光的強(qiáng)度足夠高時(shí)，大氣也會(huì)發(fā)生擊穿，出現(xiàn)等離子體閃光現(xiàn)象。當(dāng)強(qiáng)激光作用于薄膜表面并發(fā)生等離子體閃光時(shí)，在大多數(shù)情況下，得到的是薄膜和大氣的復(fù)合等離子體，或者僅僅得到的是大氣等離子體閃光，因此，采用常規(guī)的探測(cè)光強(qiáng)(即探測(cè)有無發(fā)生閃光)的方式來判別薄膜是否發(fā)生損傷，其在原理上就存在一定缺陷， 造成實(shí)際測(cè)試的“誤判”現(xiàn)象也就不可避免。誤判的主要原因在于以光強(qiáng)變化作為損傷與否的判據(jù)，事實(shí)上無法消除大氣閃光的影響，因?yàn)榭赡鼙∧げ]有損傷，只是大氣發(fā)生了閃光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要提供一種薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的會(huì)產(chǎn)生誤判而導(dǎo)致判定失敗的問題。為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明所提供的一種薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法，作用激光對(duì)樣片進(jìn)行單脈沖的激光輻照，如果樣品表面沒有發(fā)生損傷，其表面不發(fā)生等離子體閃光；如果樣品表面發(fā)生了損傷，在損傷瞬間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的等離子體閃光， 分析閃光光譜，如果出現(xiàn)了 N、0、H、C以外元素的發(fā)光峰，則判定出現(xiàn)損傷。一種實(shí)現(xiàn)上述判別方法的裝置，包括激光發(fā)生器和測(cè)試臺(tái)，其特征在于還包括會(huì)聚透鏡和位于會(huì)聚透鏡成像面上的光纖探頭，光纖探頭、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)依次相接。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、判別精度高。當(dāng)薄膜在強(qiáng)激光下?lián)p傷時(shí)，往往會(huì)發(fā)生閃光現(xiàn)象。利用這一特點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中采用光電池等器件接收光強(qiáng)大小，以“有無光強(qiáng)變化”作為判斷薄膜損傷的標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)激光足夠強(qiáng)時(shí)，也會(huì)發(fā)生大氣擊穿現(xiàn)象，因此常規(guī)判別方法存在的問題是一旦大氣發(fā)生擊穿現(xiàn)象，探測(cè)器會(huì)誤以為薄膜發(fā)生了損傷。而本發(fā)明的方法是采用光譜儀接收光譜， 然后對(duì)光譜的特征發(fā)射峰進(jìn)行提取，由于薄膜元素與大氣中的元素種類存在本質(zhì)差異，因此特征發(fā)射峰的波長位置明顯不同，以“特征發(fā)射峰位存在差異”作為判斷薄膜損傷的標(biāo)準(zhǔn)，就可以消除大氣閃光造成的誤判。因此該方法判別性能好，結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確，判別精度高， 不存在“誤判”現(xiàn)象。2、判別速度快，對(duì)薄膜激光損傷的判別可以在Is內(nèi)完成；
3、判別薄膜的種類范圍寬無論是反射膜、增透膜、薄膜、厚膜均可實(shí)現(xiàn)高精度的判別。4、裝置結(jié)構(gòu)簡單，常規(guī)設(shè)備組裝即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。


圖1為大氣等離子體閃光光譜的特征峰分布圖； 圖2為薄膜等離子體閃光光譜的特征峰分布圖3為薄膜激光損傷判別測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意1一激光發(fā)生器，2—樣品，3—測(cè)試臺(tái)，4一會(huì)聚透鏡，5—光纖探頭，6—光纖光譜儀，7-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明提供的一種薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法，作用激光對(duì)樣片進(jìn)行單脈沖的激光輻照，如果樣品表面沒有發(fā)生損傷，其表面不發(fā)生等離子體閃光；如果樣品表面發(fā)生了損傷，在損傷瞬間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的等離子體閃光，分析閃光光譜，如果出現(xiàn)了 N、0、H、C以外元素的發(fā)光峰，則判定出現(xiàn)損傷。本方法的核心在于，不以光強(qiáng)變化作為損傷的判據(jù)，而是采用等離子體光譜峰位分析的方法，根據(jù)薄膜和大氣閃光譜吸收峰位的差異來作為損傷與否的判據(jù)。因?yàn)榇髿庵兄饕蠳、0、C、H等元素，發(fā)生大氣擊穿時(shí)，等離子體閃光譜中只能出現(xiàn)N、0、C、H等元素及其相互間組合的電子躍遷特征峰，這些峰主要集中在可見區(qū)及紅外區(qū)。如圖1為大氣的等離子體閃光光譜，501. 20nm的發(fā)射峰為N的離子光譜、568. 33nm為H2O的分子光譜、 777. 43nm為H的分子光譜、822. 18nm為0的離子光譜、872. 23nm為N的分子光譜，等等?？傊髿獾拈W光譜峰位一定只與N、0、C、H等元素的分子或原子、離子光譜相關(guān)，而這些元素的光譜峰位是確定的，不會(huì)因測(cè)試條件的變化而改變。由于薄膜或光學(xué)表面的化學(xué)組成必然不同于空氣，通常還含有Si、Ti、Al、Mg、Zn、& 等元素，這些不同于大氣成分的元素，在強(qiáng)激光作用下，產(chǎn)生的等離子體閃光光譜中必然出現(xiàn)這些元素的原子、離子或分子的發(fā)光峰。 因此，一旦發(fā)生薄膜閃光，就會(huì)出現(xiàn)新的發(fā)光峰。如圖2為薄膜破損時(shí)發(fā)生的等離子體閃光現(xiàn)象?？梢钥吹剑∧ぎa(chǎn)生的等離子體閃光發(fā)光峰主要集中在紫外及可見區(qū)，而且，出現(xiàn)了許多新的峰位，如251. 93nm為Ti和Si的離子光譜、498. 12nm為Ti的離子光譜，SW2的分子光譜、551. 77nm為Ti的離子光譜、586. 84nm為Si的離子光譜等。如果僅僅發(fā)生了大氣閃光，而薄膜沒有損傷，是無論如何不會(huì)在這些特定波長位置出現(xiàn)發(fā)光峰的。因此，以有無新的峰出現(xiàn)作為薄膜損傷的判據(jù)，理論上更加完善，消除了大氣閃光的影響。參見圖3，為達(dá)到判別激光損傷的目的而采用的裝置，包括激光發(fā)生器1和測(cè)試臺(tái) 3，還包括會(huì)聚透鏡4和位于會(huì)聚透鏡4成像平面上的光纖探頭5，光纖探頭5、光纖光譜儀 6和計(jì)算機(jī)7依次相接。。該裝置的工作過程是作用激光為高能量激光束，可以是能使薄膜破損的任何激光。樣品2夾持在測(cè)試臺(tái)3上，當(dāng)薄膜表面受到強(qiáng)激光1輻照后，就會(huì)發(fā)生等離子體閃光。 閃光經(jīng)過會(huì)聚透鏡4會(huì)聚后，耦合到光纖探頭5上，再經(jīng)光纖傳輸?shù)焦饫w光譜儀6內(nèi)，光譜儀則將等離子體閃光的光譜記錄下來，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)7內(nèi)。在計(jì)算機(jī)內(nèi)，要對(duì)得到的光譜進(jìn)行分析，提取光譜的特征峰位，即都有哪些波長出現(xiàn)了發(fā)光峰？因?yàn)樘囟ǖ墓庾V對(duì)應(yīng)于特定的元素，不同元素出現(xiàn)光譜的位置不同，因此，只要新出現(xiàn)的峰位不屬于大氣光譜的峰位(主要是N、0、H、C、Ar等元素光譜)，則可以斷定薄膜發(fā)生了損傷。測(cè)試樣片時(shí)，樣片置于測(cè)試臺(tái)上，作用激光(1064 nm，脈寬12 ns，單脈沖能量 400mJ)對(duì)樣片進(jìn)行單脈沖的激光輻照。如果薄膜沒有發(fā)生損傷，其表面不發(fā)生等離子體閃光，光譜儀則接收不到信號(hào)。如果薄膜表面發(fā)生了損傷，則在損傷瞬間發(fā)生強(qiáng)烈的等離子體閃光，這一閃光光譜就會(huì)被光纖光譜儀接收到。微機(jī)處理系統(tǒng)接收到來自光纖光譜儀的譜圖，并與系統(tǒng)內(nèi)部存貯的大氣等離子體閃光的譜圖進(jìn)行比對(duì)，如果出現(xiàn)了新的峰位， 則認(rèn)為薄膜出現(xiàn)了損傷。如對(duì)于Ti02/Si&膜堆，測(cè)試其等離子體光譜，發(fā)現(xiàn)在251. 93nm、 498. 12nm、551. 77nm、586. 84nm等波長(這些都是Ti或Si元素的光譜)出現(xiàn)了有別于大氣的峰位，則認(rèn)為薄膜發(fā)生了損傷。這種峰位識(shí)別的方法，不需要明確新的峰位屬于哪些元素的光譜，就可以確定薄膜或光學(xué)元件是否發(fā)生損傷，因此對(duì)于任何薄膜或元件表面同樣適用。
權(quán)利要求
1.一種薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法，作用激光對(duì)樣片進(jìn)行單脈沖的激光輻照，如果樣品表面沒有發(fā)生損傷，其表面不發(fā)生等離子體閃光；如果樣品表面發(fā)生了損傷，在損傷瞬間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的等離子體閃光，分析閃光光譜，如果出現(xiàn)了 N、0、H、C以外元素的發(fā)光峰，則判定出現(xiàn)損傷。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法的裝置，包括激光發(fā)生器(1)和測(cè)試臺(tái)(3)，其特征在于還包括會(huì)聚透鏡(4)和位于會(huì)聚透鏡(4)成像面上的光纖探頭(5)，光纖探頭(5)、光纖光譜儀(6)和計(jì)算機(jī)(7)依次相接。
全文摘要
本發(fā)明涉及薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法及其判定裝置。現(xiàn)有技術(shù)主觀性強(qiáng)，工作強(qiáng)度大，測(cè)試效率低。本發(fā)明提供一種薄膜或光學(xué)元件表面激光損傷的判別方法，作用激光對(duì)樣片進(jìn)行單脈沖的激光輻照，如果樣品表面沒有發(fā)生損傷，其表面不發(fā)生等離子體閃光；如果樣品表面發(fā)生了損傷，在損傷瞬間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的等離子體閃光，分析閃光光譜，如果出現(xiàn)了N、O、H、C以外元素的發(fā)光峰，則判定出現(xiàn)損傷，和一種實(shí)現(xiàn)上述判別方法的裝置，包括激光發(fā)生器和測(cè)試臺(tái)，其特征在于還包括會(huì)聚透鏡和位于會(huì)聚透鏡成像面上的光纖探頭，光纖探頭、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)依次相接。本發(fā)明判別精度高；判別速度快；判別薄膜的種類范圍寬；裝置結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號(hào)G01N21/63GK102226764SQ201110083959
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者徐均琪, 惠迎雪, 朱昌, 楊利紅, 梁海鋒, 蘇俊宏 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)