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深圳海納光學有限公司
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Layertec飛秒激光鏡片損傷閾值的測量方法
2020-9-11 閱讀(3760)
連續波激光器和納秒激光器的損傷主要源至于熱效應, 如激增的吸收率，可能是由于涂層材料本身的吸收作用，也可能是由于缺陷的吸收作用，或者是膜層的弱熱導性和低熔點的性質。高功率涂層要求控制涂層材料的內在性能和減少層中的缺陷。皮秒和飛秒激光光學中的激光損傷主要是由場強效應引起的。因此，這些激光器的高功率涂層需要具有承載寬波帶應用性能的材料和非常特殊的膜層設計。
激光損傷閾值(Laser-Induced Damage Threshold，LIDT)，是要根據標準ISO11254-1（cw-LIDT和1 on 1-LIDT，即單脈沖LIDT)、ISO11254-2 (S on 1,即多個脈沖LIDT)和ISO11254-3(一定數量的脈沖LIDT)的標準且需要非常穩定的激光系統條件下來確定的，且還需要精確的光束診斷以及在線和離線損傷檢測系統。這就是為什么有限的測量系統只有幾種類型的激光器可用(例如波長在1064nm的漢諾威激光（Laser Zentrum Hannover))。對于一些顯著的激光波長，例如氬離子激光器(488nm或514nm)，沒有可用的測量系統，也無法提供有認證的損傷閾值數據。
對于1-on-1 LIDT（即對樣品的一個部位發射一次脈沖），不能代表正常運行情況。然而這些值可以用于比較不同的涂層和優化程序。1-on-1的值與更實際的S-on-1飛秒鏡片損傷閾值直接相關(激光損傷閾值對于樣品的同一位置上給定的脈沖數S)，它們可以解釋為損傷閾值的上限。高頻率（kHz）的激光系統需要用飛秒激光損傷閾值來表示高脈沖數的壽命測試。
Layertec測量鏡片損傷閾值的裝置：
Layertec已經開發了自己的用于內部測量的損傷閾值測量裝置，目的是優化膜層對激光損傷的穩定性，它的光源為可發射波長分別為1064、532、355和266nm的調q型Nd:YAG激光器，脈沖持續時間約為4-10ns，在所有四種可能波長下的重復頻率為10Hz。用透鏡對激光束進行聚焦，產生近似高斯的光束輪廓，光斑的大小200μm到1000μm(1/e2半徑)，但是實際的值要取決于波長和透鏡的焦距，而這個設置是滿足ISO11254要求的。它有一個基于數碼相機的在線檢測系統，具有快速的圖像處理的能力，能檢測每一個激光脈沖后的樣品損傷。在線光束輪廓測量和能量密度測量方面，是通過CCD相機光束輪廓儀和單脈沖分辨率的校準能量測量頭進行的。該系統還有一個電動三軸級和一個多件樣品夾，用于自動測量入射角度在0°-60°范圍內的反射或傳輸樣品。在波片和寬帶偏振器的幫助下，激光器的線偏振可以定向為p偏振或s偏振。測量裝置如下圖所示。
如果沒有明確要求的情況下，由于ISO標準提供的損害閾值在30J/cm2以上不可靠，Layertec會使用自己的程序測試樣本。如果使用ISO11254-2進行測量，將在每個測量位置使用100或1000個脈沖，以減少測量時間。雖然這不是穩定可靠的檢測，但是與1-on-1 LIDT結果相比，100或1000脈沖的損傷閾值結果更真實。
內部鏡片損傷閾值測量主要是為了比較涂層和技術的發展，Layertec可根據要求提供損傷閾值結果，但請注意這些結果僅適用于特定的測量條件(脈沖持續時間、波長、脈沖數、光束形狀、頻率)。
激光脈沖源的Layertec損傷閾值測試程序：
Layertec在使用根據 ISO 11254激光損傷測試程序方面已有豐富經驗。然而這些測試既耗費成本又耗費時間，而且通常只得到了有問題的結果。在許多情況下，可以觀察到明顯較低的損傷閾值和強扭曲的損傷概率分布。測量設置沒有顯示任何問題，只留下其他原因來解釋測量錯誤。
為了解決上述問題，Layertec使用相對較大的高斯型激光光斑來測量損傷閾值。典型的光斑大小約為1mm(1/e2直徑)。大的光斑尺寸需要高的激光能量和峰值功率，以達到在測試現場造成破壞所需的效果。損傷閾值高于50J/cm2的涂層需要幾百毫焦耳的激光脈沖能量來顯示損傷。在這種情況下，會產生大量的碎片，并在受損位置周圍直徑幾毫米的圓圈內沉積下來。如果鄰近的試驗點位于該區域內，則其損傷閾值會由于碎片而顯著降低。這種系統誤差可以通過在提供足夠的測試點和選擇更大的測量位置間隔來避免。當損傷閾值超過100J/cm2時，相鄰位置之間的間隔需要超過10mm。
ISO標準假設損傷概率是對稱分布的。Layertec只在平均損傷閾值低于30J/cm2時假設損傷概率是對稱分布的。當平均損傷值大于30J/cm2時，閾值概率分布明顯向較低的值偏移。假設可以忽略碎片的影響，產生這種現象的主要原因是涂層本身的缺陷，也有可能是本身的表面質量。與ISO標準相反，明顯較低的閾值不應被視為統計異常值，嚴格地說，它們必須被考慮進去，否則損傷閾值測量將提供錯誤的值。
如上所述，基于ISO標準的損傷閾值測試不適用于高損傷閾值的涂層。Layertec開發了一種損傷閾值測量方法，非常適合測量高功率或高能激光應用中光學涂層的極小損傷閾值。這個程序需要4-7個測試位置點，每個測試位置點之間的距離約為10mm。在符合條件的情況下，四個相同的直徑為25mm的樣品在每個測試過程中得到16-28個測量位置。測試激光的能量范圍被細分為50個能級，每個位置都以逐步增加的能量密度輻照。在大多數情況下，每個能級應用100個激光脈沖，以觀察膜層的累積效應。啟動能量必須足夠低，以防止激光引起的損傷，隨后能量增加，直到激光在測試位置發生誘導損傷。
樣品上的所有位置都以這種方式照射，直到每個位置顯示損壞。為了測量分析的目的，得到了*、平均和極低的測量損傷閾值。損傷閾值測量過程示例如下圖所示。
綜上所述，Layertec公司所自主研發的飛秒激光鏡片損傷閾值測量程序比ISO標準所提供的測量方法有如下的優勢：
- Layertec公司自主研發的飛秒激光鏡片損傷閾值測量程序比ISO標準所提供的測量方法有更多適用的波長，且激光要求不會過于嚴格。
- Layertec公司自主研發的飛秒激光鏡片損傷閾值測量程序比ISO標準所提供的測量方法更加接近實際情況，更加準確。
- Layertec公司自主研發的飛秒激光鏡片損傷閾值測量程序從多脈沖多點測量的特點，相比之下更加穩定，可靠性比ISO 1-on-1 LIDT方法更好。
有時客戶也會需要其他的激光測量系統，但是為了避免鏡片使用壽命果斷和測試數據不準確，我們還是會推薦客戶使用Layertec光學。Layertec支持在客戶的工廠進行這樣的測試，并對測試樣品給予相當大的折扣。
