本發(fā)明涉及一種硬脆光學(xué)材料的低亞表面損傷檢測方法。
背景技術(shù)：
高質(zhì)量硬脆材料檢測技術(shù)是制備高損傷閾值薄膜的前提條件,而高損傷閾值薄膜已成為高功率激光裝置研制的核心問題之一,是限制激光系統(tǒng)向高能量、高功率方向發(fā)展的主要瓶頸。
硬脆光學(xué)材料在其制造過程中形成的表面和亞表面缺陷會在一定能量的激光輻照下,在局部產(chǎn)生高溫,造成元件損傷。因此,研究硬脆光學(xué)材料亞表面的檢測技術(shù),有著重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。被測光學(xué)元件的散射光包含的信息主要有兩方面,一是強(qiáng)度信息,可以用雙反射分布函數(shù)來描述；二是偏振信息,可以用偏振度、退偏度來描述。激光作為目前廣泛使用的一種優(yōu)質(zhì)光源,其發(fā)出的光一般是線偏振光,是研究線偏振光反射時的偏振狀態(tài)信息就非常重要。
本發(fā)明提供一種利用線偏振光實現(xiàn)對硬脆光學(xué)材料低亞表面損傷的檢測方法，該方法在現(xiàn)有技術(shù)中未見報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種測試方法簡單、能快速測得硬脆光學(xué)材料低亞表面損傷的檢測方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種硬脆光學(xué)材料的低亞表面損傷檢測方法，其特征在于包括以下步驟：
(1)測試儀器準(zhǔn)備
所述的測試儀器包括刻度盤、載物臺、激光器、第一偏振片、光強(qiáng)度計及第二偏振片，所述刻度盤能轉(zhuǎn)動的設(shè)于一水平臺面上，該刻度盤的上表面邊緣具有沿圓周方向布置的刻度線，所述載物臺設(shè)于刻度盤的中間并用以固定待測樣品；
所述激光器靠近刻度盤的邊緣布置，且該激光器射出的入射光線恰好能打在刻度盤及載物臺的中心位置，所述第一偏振片設(shè)于激光器與刻度盤之間并用以過濾入射光線中的非線偏振光；
所述光強(qiáng)度計靠近刻度盤的邊緣布置并用以檢測反射光線的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，所述第二偏振片設(shè)于光強(qiáng)度計與刻度盤之間并用以過濾反射光線中的非線偏振光；
(2)樣品表面損傷的檢測
調(diào)節(jié)載物臺至水平，將片狀的待測樣品垂直固定在載物臺上，打開激光器及光強(qiáng)度計，轉(zhuǎn)動刻度盤帶動載物臺上的樣品轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)入射角度，用光強(qiáng)度計記錄各位置反射光的光強(qiáng)，并同時記錄各位置對應(yīng)的入射角，其中，光強(qiáng)最弱的位置所對應(yīng)的入射角即為布儒斯特角；
(3)利用測得的布儒斯特角表征樣品的表界面粗糙度。
采用本發(fā)明的檢測方法，當(dāng)入射角為某特定角時反射光才是線偏振光，其振動方向與入射面垂直，此特定角稱為布儒斯特角，用θb表示。
下式為布儒斯特定律，其中，n1、n2分別為兩種介質(zhì)的折射率，
在偏振理論計算時，引入Debye-Wakker因子來描述界面粗糙度，即
其中，σ為材料的表界面粗糙度，為材料的復(fù)折射率，θb為正入射角，λ為入射光的波長，在非理想表界面時，Debye-Wakker因子趨近于1，Rj為材料的反射光光強(qiáng)，即
RjDW＝Rj
因此，入射角即等于布儒斯特角，可表征出表界面粗糙度。
在本發(fā)明的方案中，所述第一偏振片垂直入射光方向布置，所述第二偏振片垂直反射光方向布置。實驗室中進(jìn)行材料的表面損傷檢測時常用到激光作為光源，氣體激光器往往要求在輸出光束的光路中不能有絲毫的損耗，這就需要采用布儒斯特窗并在布氏角下入射，使rp＝0但tp＝1(rp為P偏振的入射光，tp為P偏振的透射光)，也就是P偏振分量照射到布儒斯特窗片上的透過率是100％而不產(chǎn)生損耗。以布儒斯特角入射的自然光經(jīng)過某一介質(zhì)材料表面的反射和透射后就會使一部分的s偏振光被反射而透過的是P偏振光和剩余的S偏振光，利用這一原理可獲得透射為純潔的平面偏振光。考慮到自然光在介質(zhì)分界面上同時存在反射和折射，可以把它分解為兩部分：一部分是光矢量平行與入射面的P波；另一部分是光矢量垂直于入射面的S波。因此，反射光和折射光一般地就成為偏振光。當(dāng)入射光的入射角等于布儒斯特角時，反射光成為線偏振光。根據(jù)這一原理，可以利用偏振片來獲得線偏振光。
在上述各方案中，所述激光器的功率為3～5W。當(dāng)所述光強(qiáng)度計記錄的光強(qiáng)數(shù)據(jù)在0～300流明/min范圍內(nèi)時，認(rèn)為光強(qiáng)達(dá)到最弱。
為了確保測量準(zhǔn)確，步驟(2)中在刻度盤轉(zhuǎn)動過程中，始終保持激光器發(fā)出的入射光線打在載物臺中心所在的軸心線上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明的方法所需要的測試儀器結(jié)構(gòu)簡單，利用線偏振光準(zhǔn)確地測出了入射到樣品上的光線的布儒斯特角大小，并以此表征樣品的表界面粗糙度，可將測量偏差保持在1/100以內(nèi)，檢測結(jié)果準(zhǔn)確率高，且檢測方法簡單、快速，對待檢測樣品的表面無損傷；同時，本發(fā)明的方法還可以用于測量光學(xué)元件其他的微表面結(jié)構(gòu)，并能達(dá)到納米量級的表面微結(jié)構(gòu)的檢測，為制備出高質(zhì)量的高損傷閾值薄膜提供了條件。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例中測試儀器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
本實施例的硬脆光學(xué)材料的低亞表面損傷檢測方法包括以下步驟：
(1)測試儀器準(zhǔn)備
如圖1所示，測試儀器包括刻度盤1、載物臺2、激光器3、第一偏振片4、光強(qiáng)度計5及第二偏振片6，刻度盤1能轉(zhuǎn)動的設(shè)于一水平臺面上，該刻度盤1的上表面邊緣具有沿圓周方向布置的刻度線，載物臺2成形為圓盤狀并設(shè)于刻度盤2的中間，用以固定待測樣品10，載物臺2與刻度盤1同軸布置并能隨刻度盤1的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。
激光器3靠近刻度盤1的邊緣布置，且該激光器3射出的入射光線恰好能打在刻度盤1及載物臺2的中心位置，第一偏振片4設(shè)于激光器3與刻度盤1之間并用以過濾去除電場方向垂直入射面的S偏振分量，得到線偏振光。光強(qiáng)度計5靠近刻度盤1的邊緣布置并用以檢測反射光線的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，第二偏振片6設(shè)于光強(qiáng)度計5與刻度盤1之間并用以過濾反射光線中的非線偏振光。本實施例中的第一偏振片4、第二偏振片6為玻璃片。
(2)樣品表面損傷的檢測
調(diào)節(jié)載物臺2至水平，將片狀的待測樣品10三硼酸鋰(Li B3O5)晶體垂直固定在載物臺2中間，打開激光器3及光強(qiáng)度計5，將激光器3的功率調(diào)節(jié)至5W，轉(zhuǎn)動刻度盤1帶動載物臺2上的樣品轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)入射角度，該過程中，始終保持激光器3發(fā)出的入射光線打在載物臺2中心所在的軸心線上，第一偏振片4與入射光方向相垂直，第二偏振片6與反射光方向相垂直；用光強(qiáng)度計5記錄該過程中各位置反射光的光強(qiáng)，并同時記錄各位置對應(yīng)的入射角，其中，光強(qiáng)最弱的位置所對應(yīng)的入射角即為布儒斯特角；在本實施例中，當(dāng)光強(qiáng)度計5記錄的光強(qiáng)數(shù)據(jù)在0～300流明/min范圍內(nèi)時，認(rèn)為光強(qiáng)達(dá)到最弱。本實施例中測得三硼酸鋰(Li B3O5)晶體的布儒斯特角為45°。
(3)利用測得的布儒斯特角表征樣品的表界面粗糙度，該樣品的表界面粗糙度為Ra＝1.25nm。