本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件損傷檢測方法，尤其是涉及一種基于原位探測的納米尺度初始激光損傷檢測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光學(xué)元件是光學(xué)系統(tǒng)中必不可少的基本元素，在激光加工、激光武器以及高功率激光系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著激光器輸出能量的不斷提高，光學(xué)元件的激光損傷已成為了限制激光技術(shù)向高能量、高功率方向發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，制約著強激光技術(shù)的進一步發(fā)展。為了深入分析光學(xué)元件的損傷性能和損傷機制，準(zhǔn)確評價光學(xué)元件的抗激光損傷能力，需要不斷地發(fā)展和完善激光損傷的測試技術(shù)。目前，國內(nèi)外對光學(xué)元件的激光損傷性能和損傷機制的研究多是在微米范圍內(nèi)，而對于微米尺度以下?lián)p傷的研究，即損傷從無到有的發(fā)展過程還有待深入研究。研究納米尺度的損傷，有助于加深對光學(xué)元件的損傷性能和損傷機制的理解，更加的準(zhǔn)確評價光學(xué)元件的抗激光損傷能力。

一般，對激光損傷特征的辨別需要在線監(jiān)測，而能與激光損傷測試平臺完美結(jié)合在線監(jiān)測的只能是一般光學(xué)鏡頭，其分辨率有限，因此可以考慮將損傷測試與更高分辨的形貌測試儀器相結(jié)合。然而將更高分辨的測試儀器與損傷測試平臺集成于一體是一件非常困難的事情，所以這種結(jié)合測試需要分多步進行，這需要更精確的定位技術(shù)。因為這種損傷的測試過程需先進行形貌測試，然后進行激光輻照，而后再次進行形貌測試，將輻照前后所測得的形貌相對比。因而，如何重復(fù)實現(xiàn)高精度的定位——原位測試，即保證激光輻照前后所測試的區(qū)域為同一區(qū)域，成為納米尺度激光損傷測試的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于原位探測技術(shù)的納米尺度初始激光損傷檢測方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于原位探測技術(shù)的納米尺度初始激光損傷檢測方法，包括以下步驟：

1)在樣品的待測區(qū)域設(shè)置多個標(biāo)記點，并將其中一個設(shè)置為定位點；

2)在原子力顯微鏡下找到所述定位點，調(diào)整樣品使得定位點的十字方向與原子力顯微鏡定位十字叉方向一致，以所述定位點為基準(zhǔn)，移動一定的相對坐標(biāo)獲得一測試區(qū)域，獲得所述測試區(qū)域處形貌；

3)在遠(yuǎn)離待測區(qū)域處選定一損傷測試點，在該損傷測試點對所述樣品進行激光損傷閾值的測試；

4)在損傷測試裝置下找到所述定位點，并移動至測試區(qū)域，用激光能量低于所述激光損傷閾值的激光光斑輻照所述測試區(qū)域；

5)重復(fù)步驟2)，再次在原子力顯微鏡下找到所述測試區(qū)域，獲得所述測試區(qū)域處形貌；

6)將步驟2)和步驟5)所獲得的形貌進行對比，根據(jù)對比結(jié)果對測試區(qū)域的位置進行修正；

7)將步驟2)和步驟5)所獲得的形貌進行對比，判斷是否發(fā)生納米尺度的變化，若是，則檢測結(jié)束，若否，則在低于所述激光損傷閾值的情況下增加激光光斑的激光能量，重復(fù)步驟4)-7)。

所述標(biāo)記點為顯微硬度計四棱錐壓頭作用在樣品表面形成的壓痕標(biāo)記點，該壓痕標(biāo)記點的寬度小于60μm。

所述標(biāo)記點沿所述待測區(qū)域邊緣設(shè)置，多個標(biāo)記點包圍所述待測區(qū)域。

所述損傷測試點距離所述待測區(qū)域的距離不小于5mm。

所述調(diào)整樣品使得定位點的十字方向與原子力顯微鏡定位十字叉方向一致具體為：

調(diào)節(jié)原子力顯微鏡樣品盤的角度，使定位點的十字方向與原子力顯微鏡的定位十字叉方向一致，并使二者的十字中心重合。

所述根據(jù)對比結(jié)果對測試區(qū)域的位置進行修正具體為：

通過形貌細(xì)節(jié)信息，當(dāng)出現(xiàn)某一特征點位置偏離超過3μm時，對測試區(qū)域的位置進行修正，通過原子力顯微鏡掃描頭的變化改變測試區(qū)域的測試中心。

所述激光光斑直徑最小為20μm。

一種實現(xiàn)上述方法的基于原位探測技術(shù)的納米尺度初始激光損傷檢測裝置，包括：

損傷測試裝置，用于測試樣品激光損傷閾值以及發(fā)射泵浦激光輻照被測樣品上的選定區(qū)域，包括泵浦激光器和光學(xué)鏡頭；

原子力顯微鏡，用于定位測試特定點樣品的形貌；

顯微硬度計，用于在樣品上設(shè)置標(biāo)記點以標(biāo)記特定區(qū)域；

電動平移臺，與泵浦激光器連接，用于帶動樣品移動，確定激光輻照區(qū)域；

樣品轉(zhuǎn)移裝置，用于固定樣品，并實現(xiàn)樣品在原子力顯微鏡和電動平移臺間的轉(zhuǎn)移。

所述原子力顯微鏡和電動平移臺上均設(shè)置有樣品固定裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用原位測試裝置實現(xiàn)了高精度的原位測試，對于20μm的原子力顯微鏡測試范圍，多次原位測試的位置誤差可以控制在2μm以內(nèi)，通過這種原位測試技術(shù)可以實現(xiàn)激光輻照前后同一區(qū)域的形貌的對比，準(zhǔn)確觀測到激光輻照光學(xué)元件后所發(fā)生的納米尺度及以上的變化，具有精確度高、可重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明在進行標(biāo)記點定位時，在光學(xué)鏡頭下使壓痕標(biāo)記點的十字方向與原子力顯微鏡的定位十字叉方向一致，并使二者的十字中心重合，這樣既保證了測試位置的準(zhǔn)確性有保證了測試方向的準(zhǔn)確性；

2、本發(fā)明用低于閾值的小尺寸激光光斑進行輻照，激光光斑可以最小至20μm，由此可以確保壓痕點不被輻照到，因為壓痕部位容易產(chǎn)生損傷，損傷產(chǎn)生的碎屑會污染測試區(qū)，不利于原子力顯微鏡的測試；

3、本發(fā)明采用原位探測技術(shù)，在原子力顯微鏡1280倍的最大放大倍數(shù)下，定位十字叉的寬度僅有1μm，所以定位誤差很小，另外原子力顯微鏡樣品盤電機的機械誤差為1μm，整體的誤差可以控制在2μm范圍內(nèi)；

4、本發(fā)明通過原子力顯微鏡掃描頭的變化實現(xiàn)測試區(qū)域的修正，更加精確，此過程可以將原位測試誤差進一步縮小至小于1μm或更?。?/p>

5、本發(fā)明將激光損傷特征的辨別提高到納米尺度，原子力顯微鏡的原位測試的位置誤差很小，可以控制在2μm內(nèi)，而且掃描方向的一致性很好；如果原子力顯微鏡的測試區(qū)域大小選擇為20μm×20μm，2μm的誤差是可以允許的，且重復(fù)性高；如果研究區(qū)域更小，可以在20μm×20μm的測試區(qū)域內(nèi)選擇更小的區(qū)域再次定位以研究其細(xì)節(jié)變化信息，再次定位仍然是通過原子力顯微鏡掃描頭的變化實現(xiàn)的；總體來說，原位測試誤差可以控制在原子力顯微鏡測試范圍的10％以內(nèi)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明樣品測試過程示意圖；

圖3為本發(fā)明樣品的標(biāo)記點示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的樣品轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例的一種樣品固定裝置；

圖6為本發(fā)明實施例的另一種樣品固定裝置；

圖7為本發(fā)明原位測試的一次定位重復(fù)性效果示意圖，其中，(a)～(f)分別為第一次到第六次的效果示意圖；

圖8為本發(fā)明利用二次定位的泵浦激光輻照前被測樣品的形貌圖；

圖9為本發(fā)明利用二次定位的泵浦激光輻照后被測樣品的形貌圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，本實施例的基于原位探測技術(shù)的納米尺度初始激光損傷檢測方法具體步驟如下：

在s101步驟中，在樣品的待測區(qū)域設(shè)置多個標(biāo)記點，選定一個較大區(qū)域，并將其中一個設(shè)置為定位點，標(biāo)記點沿所述待測區(qū)域邊緣設(shè)置，多個標(biāo)記點包圍所述待測區(qū)域。標(biāo)記點至少設(shè)置有四個，本實施例中標(biāo)記點設(shè)有八個，如圖2所示。

標(biāo)記點為顯微硬度計四棱錐壓頭作用在樣品表面形成的壓痕標(biāo)記點，便于在顯微鏡下確定測試中心，也便于在激光輻照時的用損傷測試裝置的光學(xué)鏡頭尋找測試目標(biāo)。標(biāo)記點中間是直徑小于20μm破碎區(qū)域，以此為中心的裂紋成明顯的十字形，裂紋在十字形之間分布并向外延伸，壓痕區(qū)域的直徑為60μm，如圖3所示。

在s102步驟中，將樣品固定于樣品轉(zhuǎn)移裝置上，在損傷測試裝置的電機平移臺和原子力顯微鏡樣品盤上鎖緊樣品固定裝置，為原子力顯微鏡的原位測試和激光輻照做準(zhǔn)備。

在s103步驟中，在原子力顯微鏡下找到所述定位點，調(diào)整樣品使得定位點的十字方向與原子力顯微鏡定位十字叉方向一致，以所述定位點為基準(zhǔn)，移動一定的相對坐標(biāo)獲得一測試區(qū)域，即以定位點為原點，向待測區(qū)域內(nèi)部在橫向和縱向上移動一段距離，記錄相對坐標(biāo)獲得一測試區(qū)域，獲得所述測試區(qū)域處形貌，測量該區(qū)域微觀形貌，激光輻照后所測樣品形貌圖都將與此次測試作對比。

所述調(diào)整樣品使得定位點的十字方向與原子力顯微鏡定位十字叉方向一致具體為：調(diào)節(jié)原子力顯微鏡樣品盤的角度，使定位點的十字方向與原子力顯微鏡的定位十字叉方向一致，并使二者的十字中心重合。

在s104步驟中，在遠(yuǎn)離待測區(qū)域處選定一損傷測試點，在該損傷測試點對所述樣品進行激光損傷閾值的測試。本實施例中，損傷測試點距離所述待測區(qū)域的距離不小于5mm。

在s105步驟中，在損傷測試裝置下找到所述定位點，并移動至測試區(qū)域，用激光能量低于所述激光損傷閾值的激光光斑輻照所述測試區(qū)域。

在s106步驟中，重復(fù)步驟s103，再次在原子力顯微鏡下找到所述測試區(qū)域，獲得所述測試區(qū)域處形貌。

在s106步驟中，將步驟s103和步驟s106所獲得的形貌進行對比，將兩次測試圖像的細(xì)節(jié)進行對比、以小尺寸特征微結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，通過形貌細(xì)節(jié)信息，當(dāng)出現(xiàn)某一特征點位置偏離超過3μm或者需要更高位置精度時，對測試區(qū)域的位置進行修正。修正是指改變原子力顯微鏡的測試中心，微調(diào)測量區(qū)域，使第二次測量區(qū)域與第一次測量區(qū)域更好的對應(yīng)或重合，這個過程的改變是通過原子力顯微鏡掃描頭的變化實現(xiàn)的，所以更加精確，此過程可以將原位測試誤差進一步縮小到小于1μm或更小。

在s107步驟中，將步驟s103和步驟s106所獲得的形貌進行對比，判斷是否發(fā)生納米尺度的變化，若是，則檢測結(jié)束，若否，則在低于所述激光損傷閾值的情況下增加激光光斑的激光能量，重復(fù)步驟4)-7)，直到發(fā)生納米尺度的變化。

實現(xiàn)上述方法的裝置包括損傷測試裝置、原子力顯微鏡、顯微硬度計、電動平移臺和樣品轉(zhuǎn)移裝置，其中，損傷測試裝置用于測試樣品激光損傷閾值以及發(fā)射泵浦激光輻照被測樣品上的選定區(qū)域，包括泵浦激光器和光學(xué)鏡頭；原子力顯微鏡用于定位測試特定點樣品的形貌；顯微硬度計用于在樣品上設(shè)置標(biāo)記點以標(biāo)記特定區(qū)域；電動平移臺與泵浦激光器連接，用于帶動樣品移動，確定激光輻照區(qū)域；樣品轉(zhuǎn)移裝置如圖4所示，用于固定樣品，并實現(xiàn)樣品在原子力顯微鏡和電動平移臺間的轉(zhuǎn)移，便于樣品的移動。

原子力顯微鏡和電動平移臺上均設(shè)置有樣品固定裝置，樣品通過樣品轉(zhuǎn)移裝置安裝于樣品固定裝置上。原子力顯微鏡樣品盤上的樣品固定裝置如圖5所示，此裝置固定在原子力顯微鏡樣品盤上，將帶有樣品的轉(zhuǎn)移裝置固定于其中，可以達(dá)到精確移動和測試的目的。電機平移臺上的固定裝置如圖6所示，此裝置固定在激光損傷測試的電機平移臺上，便于精確移動并定位激光輻照區(qū)域。

原位測試的一次定位重復(fù)性效果如圖7所示，6次一次定位的最大偏差約2μm。

原位測試的二次定位精度和激光輻照前后效果如圖8和圖9所示。初始掃描區(qū)域為30μm×30μm，一次定位精度約1μm；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)表面形貌的不規(guī)則特征，在樣品被測區(qū)域選取一個特征標(biāo)記點，通過原子力顯微鏡掃描頭的移動，再次定位5μm×5μm區(qū)域，如圖8所示；樣品轉(zhuǎn)移至激光損傷閾值測試系統(tǒng)，激光對該區(qū)域進行輻照，激光光斑直徑約80μm，波長355nm，脈寬10ns，輻照能量密度為20j/cm2；隨后，將樣品轉(zhuǎn)移至原子力顯微鏡進行再次測量，其結(jié)果如圖9所示，二次定位的5μm×5μm區(qū)域出現(xiàn)了微小的損傷破壞點，其尺寸約80nm，通過與圖8進行對比，可以獲得此類納米尺度損傷的源頭。利用該方法顯著提升了激光損傷中微小損傷的檢測精度，并且提供了損傷源的信息。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。