薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及利用该装置的测试方法。由于现有测试装置和测试方法存在较大的误差、对各种薄膜材料适应性差。本发明专利技术的一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，包括测试组件和处理组件，测试组件包括Ｎｄ：ＹＡＧ激光器、开关档板，第一分束器、聚焦透镜、第二分束器和样片台，光电二极管阵列、会聚透镜、光电探测器件和ＣＣＤ照相机等，处理组件包括计算机；测试方法包括将测试结果送采用ＣＣＤ摄像显微判别法等离子体闪光法来判别不同类型薄膜样品是否发生损伤，判别标准是一项显示损伤即确定。本发明专利技术的此种结构和测试方法，使得测试误差极小且无误判发生，并且适应性和实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于薄膜或光学元件表面激光损伤阈值测试装置
，特别涉及一种。
技术介绍
在大功率高能量激光系统中，存在大量的薄膜元件，这些元件的抗激光损伤能力 与系统能否正常有效运行密切相关。已有研究表明，薄膜元件在强激光下的破坏完全由元 件表面薄膜的抗激光能力所决定。因此，随着高功率激光器应用范围的不断扩大，薄膜抗激 光损伤性能的重要性日益突出，以致激光损伤阈值成为光学薄膜元件不可缺少的一项性能 指标。薄膜必须具有高的激光损伤阈值已经成为光学元件抗激光性能的瓶颈，解决这一问 题对大功率激光系统的应用及激光加固具有重要的意义。而要解决这一问题，关键在于准 确测出薄膜的激光损伤阈值，因而对光学薄膜激光损伤阈值的测试也就成为亟待解决的技 术问题。在激光损伤阈值测试过程中，如何在线、实时、快速、准确的判别薄膜是否损伤成为 研究的核心一环。 多年来，国外对激光与光学介质薄膜损伤过程和阈值测试方法的研究始终是热点 之一。2000年，国际标准化委员会颁布了 IS011254-1和IS011254-2，这是对激光引起光学 薄膜损伤而制定的国际标准。但是，直至今日，国内外尚无符合相应国际标准的成型测试仪 器和设备，其主要原因在于绝大多数情况下，对薄膜损伤的判别采用相衬显微法，而这种方 法主要靠目视来实现，测试效率低，难以实现自动化、智能化及高速测量。 关于薄膜样品的激光损伤阈值计算方式，目前最多使用的有R-on-l和l-on-l两 种方式。其中R-on-l损伤测试方式是指对于被测样品上的同一点，用递增的激光能量重复 照射样品，直到产生损伤为止。测试时要求初始激光能量远小于样品的损伤阈值，记录下造 成样品损伤的脉冲激光能量，即认为是该点的损伤阈值。测出同一样品上多个点的损伤阈 值，求出平均值即为被测样品的损伤阈值。该种方法由于要对样品同一点上进行多次激光 照射，因此存在激光预处理效应，所以很难测到样品的准确损伤阈值。l-on-l为零几率损伤 法，即用同一能量的单脉冲照射m个点，记录下损伤的次数n。则每个能量激光辐照损伤概 率P = n/m。改变能量，再测出该能量下的损伤概率，包括损伤几率为0和100%的能量点。 以激光能量为横轴，损伤几率为纵轴，得出损伤几率与激光能量点的分布，再用直线拟合并 外推到零损伤几率，所对应的激光能量值即为损伤阈值。 然而，目前存在较大争议的是对于薄膜损伤与否的判别方式，即薄膜发生怎样的 变化就认为发生了损伤。目前判别薄膜损伤的方法主要有相衬显微法、散射光强检测法、光 声测量法、光热法等，各种判定方法各有其优劣性。其中相衬显微法是国际标准IS011254 所推荐的一种检测方法，这种方法采用放大倍率为100-150倍的Normaski显微镜对激光 辐照后的薄膜样片进行观测，以判别薄膜是否发生损伤，这种方法的主观性很强，由于个体 视觉的差异，不同的测试者可能得到不同的判别结果，从而导致薄膜激光损伤阈值最终结 果失真，而且这种方法工作强度大，测试效率低，难以实现整机系统的自动化；散射光强方法的原理是当激光以一定的角度斜入射在样品上时，如果表面的反射点处无疵点，则反射 光将按几何光学给出的规律反射，若不让反射主光线进入光电接收器，就几乎没有电信号 输出。当表面的反射点处不光滑，或被激光照射后产生损伤，则主光线中相当部分能量不 能定向，而要产生散射，对应光电接收器就有电信号输出，通过探测光电接收器有无电信号 输出，实际上是探测激光辐射前后电信号的变化就可判断激光照射点是否被损伤，此方法 消除了人为因素的干扰，但这种方法对于样片表面光洁度不高，表面反射率较低的情下，判 别存在较大的误差和误判的现象。同时，当薄膜的厚度不大时，光强散射法的灵敏度也不 高。上述这两种方法还存在的共有问题是对薄膜的种类要求高，适应性差，只有对明确的 特定薄膜才能进行测试并给出损伤结果，否则测试结果将存在较大的误差或给出误判的结 果，影响使用，比如高反射膜及增透膜损伤后的对比度不同，相衬显微法判别的误差大小也 不同；散射光则对于厚度较小薄膜很不明显，这就要求有相应的仪器进行测试，在明确种类 后，才能选择合适的方法和设备进行测试，这无疑是很难做到的，增加了大量的测试成本， 因此上述方法和设备的应用受到严重制约。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置及测试 方法，以克服现有技术存在的测试结果存在较大的误差、存在误判可能并且对各种薄膜材 料适应性差，因此实用性差的问题。 本专利技术所提供的技术方案是一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置， 包括测试组件和处理组件，其中测试组件包括设置于一条主光轴上的Nd:YAG激光器、开关 档板，衰减器，第一分束器、聚焦透镜、第二分束器和样片台，还包括光束分析仪和能量计， 其特殊之处在于，测试组件中还包括辅助激光器、光电二极管阵列、会聚透镜、光电探测器 件和CCD照相机，其中辅助激光器偏离主光轴设置，其发射光束朝向样片台，所述CCD照相 机设置于辅助激光器反射光束与主光轴之间的区域，所述光电二极管阵列位于样片表面法 线30 60度的锥角内，所述会聚透镜和光电探测器件依次位于辅助激光器的镜像反射光 束上，会聚透镜的中部区域镀制吸光膜，吸光膜覆盖区域应大于辅助激光器输出光斑直径 的2倍 5倍，处理组件包括计算机。 上述光电探测器件的空间位置在辅助光束与法线的平面内，且与辅助光线以法线 为对称。 上述辅助激光器偏离主光轴45度设置；上述光电二极管阵列位于样片表面法线 60度位置。 上述会聚透镜上吸光膜覆盖区域应为辅助激光器输出光斑直径的2倍。 —种利用上述装置的测试方法是，首先利用测试组件中辅助光源(He-Ne激光器)发出激光辐照在样品表面，当测试激光(Nd:YAG激光器)作用于样品表面并引起薄膜损伤后，CCD照相机、光电二极管阵列和光电探测器件同时进行测试，测试结果送采用CCD摄像显微判别法、散射光强法和等离子体闪光法来判别不同类型薄膜样品是否发生损伤，判别标准是一项显示损伤即确定。 与现有技术相比，本专利技术的优点是 1、误差极小且无误判发生本专利技术将散射光强方法和改进为CCD摄像显微判别法的相衬显微法同时引进，取长补短，更进一步将等离子探测法引入本专利技术中。离子探测法的 机理是基于高功率激光与光学表面相互作用时将离化构成光学表面的物质，从而产生自由 电子和离子，即等离子体，目前它被广泛应用于薄膜的光谱分析领域，本专利技术通过判断光敏 元件探测激光与光学表面相互作用时，是否产生等离子体闪光来判断是否存在损伤。同时 针对散射光强法进行了改进因为无论薄膜表面是否损伤，镜像反射方向的光强均最大，因 此为了消除镜像反射光的影响而将会聚透镜的中部进行了处理，使中部光线不能通过，而 仅仅让周围的散射光均匀透过，这样才可使用光电接收器件准确探测到散射光(薄膜未损 伤时无散射光，光电器件则无输出；薄膜损伤后有散射光，光电器件有输出)，即可判别是 否在光学表面有损伤的现象。 2、适应性强本专利技术所提供的薄膜激光损伤阈值测量装置既可以直观看到激光与 物质的作用过程，可以实时看见损伤形貌，又可以探测到薄膜损伤所引起的光学性能变化。 适用于各类光学元件及薄膜表面，可用于判别各种类型的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置，包括测试组件和处理组件，其中测试组件包括设置于一条主光轴上的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器（１）、开关档板（２），衰减器（３），第一分束器（４）、聚焦透镜（５）、第二分束器（６）和样片台（９），还包括光束分析仪（１３）和能量计（１４），其特征在于：测试组件中还包括辅助激光器（７）、光电二极管阵列（８）、会聚透镜（１０）、光电探测器件（１１）和ＣＣＤ照相机（１２），其中辅助激光器（７）偏离主光轴设置，其发射光束朝向样片台（９），所述ＣＣＤ照相机（１２）设置于辅助激光器（７）反射光束与主光轴之间的区域，所述光电二极管阵列（８）位于样片表面法线３０～６０度的锥角内，所述会聚透镜（１０）和光电探测器件（１１）依次位于辅助激光器（７）的镜像反射光束上，会聚透镜（１０）的中部区域镀制吸光膜，吸光膜覆盖区域应大于辅助激光器输出光斑直径的２倍～５倍，处理组件包括计算机（１５）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏俊宏，徐均琪，梁海锋，杨利红，惠迎雪，杭凌侠，朱昌，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]