专利名称：薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法及其判定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法及其判定装置。
背景技术：
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，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，如何准确、实时、快速、在线的判别薄膜是否损伤成为研究的核心一环。为得到薄膜的激光损伤阈值，首要的条件是对薄膜在强激光作用下是否发生损伤做出快速准确的判别，即薄膜发生怎样的变化即认为发生了损伤。目前判别薄膜及光学表面损伤的方法主要有相衬显微法、散射光强检测法、等离子体闪光法、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IS0112M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表面进行观测，以判别薄膜是否发生损伤，这种方法的主观性很强， 而且工作强度大，测试效率低，难以实现整机系统的自动化。探测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反射，而是产生散射，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，此方法对被测样品表面的光洁度要求高，如果激光辐射前表面光洁度不够，即使激光辐射引起了损伤，探测器输出电信号也不会有太大的变化，因而不能准确地进行损伤判别。等离子体闪光法也是判别激光损伤的一种常用方法，该方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。因此，通过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就可以判断是否存在损伤。通常，检测激光为单色光(如氦氖激光器发出的632. Snm的激光)，而等离子体闪光为复合光，因此需要消除作用激光对应的光谱，才可以准确探测到等离子体闪光，即可判别是否在光学表面有损伤的现象。常规的等离子体闪光判别法是在光学表面附近置一光电接收器件，当存在闪光时，光电接收器件将输出一电平信号，这是目前国内外基于等离子体闪光判别薄膜是否损伤的唯一方法，即以光强变化作为损伤与否的判据。也就是说，常规的等离子体闪光法依据的是有无光强信号的变化，即只要出现闪光，就认为薄膜发生了损伤。然而，遗憾的是，当激光的强度足够高时，大气也会发生击穿，出现等离子体闪光现象。当强激光作用于薄膜表面并发生等离子体闪光时，在大多数情况下，得到的是薄膜和大气的复合等离子体，或者仅仅得到的是大气等离子体闪光，因此，采用常规的探测光强(即探测有无发生闪光)的方式来判别薄膜是否发生损伤，其在原理上就存在一定缺陷， 造成实际测试的“误判”现象也就不可避免。误判的主要原因在于以光强变化作为损伤与否的判据，事实上无法消除大气闪光的影响，因为可能薄膜并没有损伤，只是大气发生了闪光。
发明内容
本发明要提供一种薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法，以克服现有技术存在的会产生误判而导致判定失败的问题。为克服现有技术存在的问题，本发明所提供的一种薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法，作用激光对样片进行单脉冲的激光辐照，如果样品表面没有发生损伤，其表面不发生等离子体闪光；如果样品表面发生了损伤，在损伤瞬间会发生强烈的等离子体闪光， 分析闪光光谱，如果出现了 N、0、H、C以外元素的发光峰，则判定出现损伤。一种实现上述判别方法的装置，包括激光发生器和测试台，其特征在于还包括会聚透镜和位于会聚透镜成像面上的光纤探头，光纤探头、光纤光谱仪和计算机依次相接。本发明具有以下优点
1、判别精度高。当薄膜在强激光下损伤时，往往会发生闪光现象。利用这一特点，现有技术中采用光电池等器件接收光强大�。浴坝形薰馇勘浠弊魑卸媳∧に鹕说谋曜�。然而，当激光足够强时，也会发生大气击穿现象，因此常规判别方法存在的问题是一旦大气发生击穿现象，探测器会误以为薄膜发生了损伤。而本发明的方法是采用光谱仪接收光谱， 然后对光谱的特征发射峰进行提�。捎诒∧ぴ赜氪笃械脑刂掷啻嬖诒局什钜欤虼颂卣鞣⑸浞宓牟ǔの恢妹飨圆煌浴疤卣鞣⑸浞逦淮嬖诓钜臁弊魑卸媳∧に鹕说谋曜迹涂梢韵笃凉庠斐傻奈笈�。因此该方法判别性能好，结果稳定准确，判别精度高， 不存在“误判”现象。2、判别速度快，对薄膜激光损伤的判别可以在Is内完成；
3、判别薄膜的种类范围宽无论是反射膜、增透膜、薄膜、厚膜均可实现高精度的判别。4、装置结构简单，常规设备组装即可实现本发明的方法。
图1为大气等离子体闪光光谱的特征峰分布图； 图2为薄膜等离子体闪光光谱的特征峰分布图3为薄膜激光损伤判别测量装置结构示意1一激光发生器，2—样品，3—测试台，4一会聚透镜，5—光纤探头，6—光纤光谱仪，7-计算机。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步说明。本发明提供的一种薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法，作用激光对样片进行单脉冲的激光辐照，如果样品表面没有发生损伤，其表面不发生等离子体闪光；如果样品表面发生了损伤，在损伤瞬间会发生强烈的等离子体闪光，分析闪光光谱，如果出现了 N、0、H、C以外元素的发光峰，则判定出现损伤。本方法的核心在于，不以光强变化作为损伤的判据，而是采用等离子体光谱峰位分析的方法，根据薄膜和大气闪光谱吸收峰位的差异来作为损伤与否的判据。因为大气中主要含有N、0、C、H等元素，发生大气击穿时，等离子体闪光谱中只能出现N、0、C、H等元素及其相互间组合的电子跃迁特征峰，这些峰主要集中在可见区及红外区。如图1为大气的等离子体闪光光谱，501. 20nm的发射峰为N的离子光谱、568. 33nm为H2O的分子光谱、 777. 43nm为H的分子光谱、822. 18nm为0的离子光谱、872. 23nm为N的分子光谱，等等。总之，大气的闪光谱峰位一定只与N、0、C、H等元素的分子或原子、离子光谱相关，而这些元素的光谱峰位是确定的，不会因测试条件的变化而改变。由于薄膜或光学表面的化学组成必然不同于空气，通常还含有Si、Ti、Al、Mg、Zn、& 等元素，这些不同于大气成分的元素，在强激光作用下，产生的等离子体闪光光谱中必然出现这些元素的原子、离子或分子的发光峰。 因此，一旦发生薄膜闪光，就会出现新的发光峰。如图2为薄膜破损时发生的等离子体闪光现象。可以看到，薄膜产生的等离子体闪光发光峰主要集中在紫外及可见区，而且，出现了许多新的峰位，如251. 93nm为Ti和Si的离子光谱、498. 12nm为Ti的离子光谱，SW2的分子光谱、551. 77nm为Ti的离子光谱、586. 84nm为Si的离子光谱等。如果仅仅发生了大气闪光，而薄膜没有损伤，是无论如何不会在这些特定波长位置出现发光峰的。因此，以有无新的峰出现作为薄膜损伤的判据，理论上更加完善，消除了大气闪光的影响。参见图3，为达到判别激光损伤的目的而采用的装置，包括激光发生器1和测试台 3，还包括会聚透镜4和位于会聚透镜4成像平面上的光纤探头5，光纤探头5、光纤光谱仪 6和计算机7依次相接。。该装置的工作过程是作用激光为高能量激光束，可以是能使薄膜破损的任何激光。样品2夹持在测试台3上，当薄膜表面受到强激光1辐照后，就会发生等离子体闪光。 闪光经过会聚透镜4会聚后，耦合到光纤探头5上，再经光纤传输到光纤光谱仪6内，光谱仪则将等离子体闪光的光谱记录下来，并传输到计算机7内。在计算机内，要对得到的光谱进行分析，提取光谱的特征峰位，即都有哪些波长出现了发光峰？因为特定的光谱对应于特定的元素，不同元素出现光谱的位置不同，因此，只要新出现的峰位不属于大气光谱的峰位(主要是N、0、H、C、Ar等元素光谱)，则可以断定薄膜发生了损伤。测试样片时，样片置于测试台上，作用激光(1064 nm，脉宽12 ns，单脉冲能量 400mJ)对样片进行单脉冲的激光辐照。如果薄膜没有发生损伤，其表面不发生等离子体闪光，光谱仪则接收不到信号。如果薄膜表面发生了损伤，则在损伤瞬间发生强烈的等离子体闪光，这一闪光光谱就会被光纤光谱仪接收到。微机处理系统接收到来自光纤光谱仪的谱图，并与系统内部存贮的大气等离子体闪光的谱图进行比对，如果出现了新的峰位， 则认为薄膜出现了损伤。如对于Ti02/Si&膜堆，测试其等离子体光谱，发现在251. 93nm、 498. 12nm、551. 77nm、586. 84nm等波长(这些都是Ti或Si元素的光谱)出现了有别于大气的峰位，则认为薄膜发生了损伤。这种峰位识别的方法，不需要明确新的峰位属于哪些元素的光谱，就可以确定薄膜或光学元件是否发生损伤，因此对于任何薄膜或元件表面同样适用。
权利要求
1.一种薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法，作用激光对样片进行单脉冲的激光辐照，如果样品表面没有发生损伤，其表面不发生等离子体闪光；如果样品表面发生了损伤，在损伤瞬间会发生强烈的等离子体闪光，分析闪光光谱，如果出现了 N、0、H、C以外元素的发光峰，则判定出现损伤。
2.一种实现权利要求1所述薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法的装置，包括激光发生器(1)和测试台(3)，其特征在于还包括会聚透镜(4)和位于会聚透镜(4)成像面上的光纤探头(5)，光纤探头(5)、光纤光谱仪(6)和计算机(7)依次相接。
全文摘要
本发明涉及薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法及其判定装置。现有技术主观性强，工作强度大，测试效率低。本发明提供一种薄膜或光学元件表面激光损伤的判别方法，作用激光对样片进行单脉冲的激光辐照，如果样品表面没有发生损伤，其表面不发生等离子体闪光；如果样品表面发生了损伤，在损伤瞬间会发生强烈的等离子体闪光，分析闪光光谱，如果出现了N、O、H、C以外元素的发光峰，则判定出现损伤，和一种实现上述判别方法的装置，包括激光发生器和测试台，其特征在于还包括会聚透镜和位于会聚透镜成像面上的光纤探头，光纤探头、光纤光谱仪和计算机依次相接。本发明判别精度高；判别速度快；判别薄膜的种类范围宽；装置结构简单。
文档编号G01N21/63GK102226764SQ201110083959
公开日2011年10月26日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者徐均琪, 惠迎雪, 朱昌, 杨利红, 梁海锋, 苏俊宏 申请人:西安工业大学
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