一種激光損傷閾值測(cè)試新方法

葛錦蔓，蘇俊宏，陳 磊，呂 寧

1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094 2.西安工業(yè)大學(xué)陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021

一種激光損傷閾值測(cè)試新方法

葛錦蔓1,2，蘇俊宏1, 2*，陳 磊1，呂 寧2

1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094 2.西安工業(yè)大學(xué)陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021

隨著激光器朝向大功率、高能量的方向發(fā)展，激光損傷閾值成為了衡量光學(xué)元件抗激光損傷能力的重要參數(shù)之一，因此，能否準(zhǔn)確地測(cè)量出光學(xué)元件的激光損傷閾值成為研究的重點(diǎn)。而光學(xué)元件激光損傷閾值測(cè)試的關(guān)鍵是能否準(zhǔn)確地判別光學(xué)元件是否發(fā)生激光損傷。為解決目前常見(jiàn)的損傷判別方法存在的精度低、識(shí)別時(shí)間長(zhǎng)、適用材料范圍窄、操作復(fù)雜等不足，提出了一種新的激光損傷的判別方法，即等離子體診斷法。以K9玻璃為例，搭建激光損傷閾值的測(cè)試平臺(tái)，利用光纖光譜儀采集強(qiáng)激光輻照K9玻璃時(shí)所產(chǎn)生的激光等離子體閃光光譜，并對(duì)該光譜進(jìn)行診斷分析，將該光譜中是否含有待測(cè)試光學(xué)元件材料中特征元素的光譜峰作為其是否收到激光損傷的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)K9玻璃進(jìn)行了激光損傷閾值的測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與等離子體閃光法和顯微鏡法所測(cè)的激光損傷閾值進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)表明，提出的等離子體診斷方法的判別精度高、速度快、測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，可以大大地提高光學(xué)元件激光損傷閾值測(cè)試工作的效率。

激光損傷； 激光損傷閾值； 等離子體； 光譜分析

引 言

各種高功率激光系統(tǒng)和強(qiáng)激光武器的發(fā)展，給光學(xué)元件提出了更高的抗激光損傷的要求。因?yàn)橐坏┕鈱W(xué)元件遭到破壞，就會(huì)降低光束質(zhì)量，并且會(huì)影響系統(tǒng)的最優(yōu)性能的發(fā)揮，甚至還會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致其他元件的損傷，最終導(dǎo)致整個(gè)激光系統(tǒng)無(wú)法工作[1]。因此，對(duì)光學(xué)元件的激光損傷閾值的檢測(cè)就顯得尤為重要。而如何準(zhǔn)確地判斷被測(cè)元件是否損傷成為了測(cè)試的關(guān)鍵之一。

常見(jiàn)的激光損傷判定方法有相襯顯微鏡觀測(cè)法[2]、散射光強(qiáng)法[3-4]、光熱偏轉(zhuǎn)法[5]、光聲法[6]、等離子體閃光法等[7]。每種方法都有其優(yōu)勢(shì)和不足。相襯顯微鏡法觀察準(zhǔn)確，但人為因素較大； 散射光強(qiáng)法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，提高工作效率，缺點(diǎn)是對(duì)被測(cè)樣品表面的光潔度要求高； 光熱偏轉(zhuǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)試樣不需做專門處理，但對(duì)反射光、散射光不敏感； 而等離子體閃光法因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便而被大家公認(rèn)，但是由于用肉眼觀察，因此人為因素太大，由于大氣擊穿而易產(chǎn)生誤判。

但等離子體光譜法已經(jīng)成功地應(yīng)用于固體和液體中元素的分析以及光電對(duì)抗[8]中。雖然由于大氣擊穿會(huì)造成等離子體閃光法的誤判，但是大氣中含量最多的是N和O元素，而常用的光學(xué)元件以及光學(xué)薄膜中多數(shù)含有Si元素和Hf，Ta等特征元素，因此，對(duì)激光等離子體的光譜進(jìn)行診斷分析，可以更準(zhǔn)確地判斷測(cè)試光學(xué)元件是否發(fā)生激光誘導(dǎo)損傷。

本文提出一種等離子體診斷法，通過(guò)對(duì)等離子體閃光的光譜進(jìn)行采集后進(jìn)行光譜診斷分析，以是否出現(xiàn)所測(cè)光學(xué)元件中所含特征元素的光譜峰為損傷判別依據(jù)，并以K9玻璃為例，準(zhǔn)確地測(cè)得其激光損傷閾值，并將此方法與等離子體閃光法和顯微鏡法進(jìn)行對(duì)比分析。

1 測(cè)試原理及裝置

激光與物質(zhì)間相互作用的機(jī)理主要有宏觀角度的熱效應(yīng)[9]以及微觀角度的多光子電離和雪崩電離[10]這兩種。其中熱吸收主要考慮的是光學(xué)元件自身的材料屬性，包括熱膨脹系數(shù)、吸收系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等等[11]。而從微觀角度來(lái)說(shuō)，激光作用于物質(zhì)表面，由于物質(zhì)吸收激光中的光子能量形成了高溫高壓的激光等離子體[12]。高溫高密度的等離子體中存在著自由運(yùn)動(dòng)的電子、離子以及中性原子、分子和團(tuán)簇等，各個(gè)粒子之間由于運(yùn)動(dòng)碰撞而產(chǎn)生自發(fā)輻射。當(dāng)自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中靠近離子時(shí)，受到離子庫(kù)侖力的作用，其運(yùn)動(dòng)速度和方向發(fā)生變化，同時(shí)輻射出光子，如圖1(a)所示，這種輻射即為自由-自由輻射，也成為軔致輻射，其輻射的頻率為

(1)

hν=Ke+(Ei-Em)

(2)

式中，h為普朗克常量，Ke是復(fù)合發(fā)生前自由電子的動(dòng)能，Ei是電離能，Ei-Em表示從Em能級(jí)到電離態(tài)的能量之差。軔致輻射和復(fù)合輻射所產(chǎn)生的光譜是連續(xù)譜。而在強(qiáng)激光輻照到被測(cè)件表面時(shí)，被測(cè)樣品材料中處于價(jià)帶的電子躍遷到了導(dǎo)帶，形成多光子吸收的初始電子。初始電子在繼續(xù)吸收激光能量后，發(fā)生了雪崩電離，同時(shí)由于自由電子間的相互碰撞，受激的原子中處于高激發(fā)態(tài)上的電子由于自發(fā)躍遷或碰撞解激發(fā)降到低激發(fā)態(tài)或基態(tài)(E=0)上時(shí)，形成了光譜中的線狀譜，不同元素的線狀譜，由于能極差的不同造成了線狀譜的位置不同。

圖1 激光等離子體輻射機(jī)制的示意圖

因此，當(dāng)激光輻照光學(xué)元件時(shí)，若光學(xué)元件發(fā)生損傷，那么在等離子體閃光的光譜中，必然存在光學(xué)元件材料中所含特征元素的光譜峰。那么，通過(guò)對(duì)等離子體光譜進(jìn)行診斷，識(shí)別等離子體閃光的光譜中是否存在被測(cè)光學(xué)元件材料中所含特征元素的光譜峰，即可準(zhǔn)確判別光學(xué)元件是否損傷。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，激光器為基模(TEM00)的Nd∶YAG調(diào)Q激光器，輸出波長(zhǎng)為1 064 nm，脈寬(FWHM)為10 ns，輸出的激光經(jīng)激光擴(kuò)束系統(tǒng)和衰減系統(tǒng)后，由透鏡聚焦到樣品表面，采用刀口掃描法測(cè)得作用在樣品表面的有效光斑直徑(1/e2半徑)為1 mm。測(cè)試樣品置于一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維平移臺(tái)上。激光器的單次脈沖能量經(jīng)3組共15片衰減片組成的衰減系統(tǒng)進(jìn)行衰減，并由一個(gè)能量計(jì)實(shí)時(shí)進(jìn)行激光輸出能量測(cè)試。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21254測(cè)試規(guī)范，采用1-on-1的方式對(duì)樣品進(jìn)行了激光輻照，即采用脈沖激光器對(duì)樣品進(jìn)行單脈沖輻照，并且樣品的每一個(gè)被測(cè)試的區(qū)域處只輻照一次。采用ULS3648型Avantes光譜儀，測(cè)試范圍為240～1 075 nm，對(duì)聚焦后的樣品所發(fā)出的閃光光譜進(jìn)行采集，分辨率為0.09 nm，并采用同步觸發(fā)方式。

圖2 等離子體診斷法的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

本文利用等離子體診斷法對(duì)光學(xué)元件中最常用的K9玻璃進(jìn)行激光損傷閾值的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)選用2個(gè)直徑φ30 mm，厚2 mm的K9玻璃樣品，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21254測(cè)試規(guī)范，采用1-on-1的方式對(duì)樣品進(jìn)行了激光輻照，并采用零幾率損傷定義將樣品未損傷的最小激光能量密度定義為該樣品的損傷閾值。用8個(gè)不同的激光能量密度對(duì)樣品進(jìn)行輻照，相同激光能量密度下輻照4個(gè)不同位置。本實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用等離子體診斷法、顯微鏡法以及等離子體閃光法這3種不同的損傷判別方法進(jìn)行樣品的激光損傷閾值的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

在測(cè)試過(guò)程中，為了避免背景光的影響，首先使用光纖光譜儀對(duì)環(huán)境光譜進(jìn)行測(cè)量，然后實(shí)時(shí)采集不同激光能量密度輻照下K9玻璃的等離子體閃光光譜，最后利用MATLAB編程對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去背景、濾波、光譜峰識(shí)別和光譜峰高度及其半高寬的提取等一系列處理分析。

圖3(a)是K9玻璃樣品在36 J·cm-2的激光能量密度輻照下所采集到的等離子體閃光的光譜圖。從圖中可以明顯看出，存在連續(xù)光譜和和線狀譜，其中連續(xù)光譜來(lái)自熱電子的軔致輻射和電子-離子復(fù)合過(guò)程，而線狀譜即為原子-離子譜，表明光譜中所存在的元素[13]。經(jīng)過(guò)對(duì)線狀譜的診斷，我們發(fā)現(xiàn)了Si元素在614.5 nm處的譜峰，這說(shuō)明樣品已經(jīng)損傷。同時(shí)，光譜圖中還存在有很高的N峰和O峰，這是強(qiáng)激光輻照下產(chǎn)生的激光等離子體發(fā)生了快速膨脹，導(dǎo)致周圍空氣被壓縮擊穿的結(jié)果[14]。而圖3(b)則為K9玻璃樣品在7.5 J·cm-2的激光能量密度輻照下采集到的等離子體光譜，經(jīng)過(guò)光譜分析后發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有Si峰，只有N峰和O峰。這說(shuō)明，在7.5 J·cm-2的激光能量密度輻照下，K9玻璃樣品并沒(méi)有損傷，而只是空氣被強(qiáng)激光擊穿而導(dǎo)致的等離子體閃光。因此，用本文提出的等離子體診斷法可以準(zhǔn)確地診斷出樣品是否損傷，避免等離子體閃光法中僅空氣擊穿而造成的誤判。

對(duì)不同激光能量密度輻照下采集到的激光等離子體光譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，Si元素的614.5 nm處的這個(gè)譜峰，隨著激光能量密度的不斷增加，該光譜峰的峰值和半高寬均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，反映了激光與物質(zhì)的相互作用結(jié)果(如圖4所示)。

圖3 激光等離子體診斷結(jié)果激光能量密度為36 J·cm-2 (a)和7.5 J·cm-2 (b)

圖4 不同激光能量密度輻照下的光譜分析結(jié)果(在614.5 nm處的Si峰)

Fig.4 Results of spectral analysis under laser radiation with different laser energy densities (spectrum of Si at 614.5 nm)

利用ECLIPSE 150型尼康光學(xué)顯微鏡對(duì)不同激光能量密度輻照下的K9玻璃的損傷形貌進(jìn)行測(cè)試，放大倍率均為100倍，在7.5 J·cm-2的激光能量密度的輻照下，K9玻璃樣品并沒(méi)有發(fā)生損傷，這與等離子體診斷法的結(jié)果是一致的。

對(duì)比等離子體診斷法、顯微鏡法和等離子體閃光法測(cè)得的K9玻璃的激光損傷閾值，見(jiàn)表1所示。結(jié)果表明，等離子體診斷法測(cè)出的K9樣品的激光損傷閾值的結(jié)果與顯微鏡法測(cè)試的激光損傷閾值是一致的，而等離子體閃光法所測(cè)出的K9玻璃的激光損傷閾值偏低。這說(shuō)明等離子體診斷法，可以很好地避免等離子體閃光法中對(duì)空氣擊穿的誤判，能夠準(zhǔn)確地測(cè)出被測(cè)元件的激光損傷閾值。

表1 不同方法測(cè)試K9玻璃LIDT(激光損傷閾值)的對(duì)比

3 結(jié) 論

基于激光與物質(zhì)的相互作用機(jī)理，在強(qiáng)激光輻照下，光學(xué)元件會(huì)產(chǎn)生等離子體閃光現(xiàn)象。采用本文提出的等離子體診斷法，對(duì)K9玻璃進(jìn)行了激光損傷閾值的測(cè)試，并與等離子體閃光和顯微鏡法測(cè)得的K9玻璃的激光損傷閾值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，采用等離子體診斷法與國(guó)標(biāo)規(guī)定的顯微鏡法所測(cè)得的測(cè)試光學(xué)元件的激光損傷閾值是一致的。這種激光損傷判別方法成功地克服了以往檢測(cè)中易產(chǎn)生誤判的缺點(diǎn)，判別性能好，準(zhǔn)確率高而且速度快，并且被測(cè)件的種類范圍寬、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常規(guī)設(shè)備組裝即可實(shí)現(xiàn)本方法，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，大大提高測(cè)試工作的效率，對(duì)激光損傷閾值的測(cè)試具有重要的意義。

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(Received Aug.30, 2015; accepted Dec.15, 2015)

*Corresponding author

A New Method for Measurement of Laser-Induced Damage Threshold

GE Jin-man1,2, SU Jun-hong1,2*, CHEN Lei1, Lü Ning2

1.School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, 2.Open Key Laboratory of Photoelectric Testing and Instrument Technology of Shaanxi Province, Xi’an Technological University, Xi’an 710021, China

With the development of the laser towards high-power and high energy, laser-induced damage threshold of optics becomes one of the important parameters to evaluate the laser damage resistance of optics.Therefore, accurately measuring of the laser-induced damage threshold optics become the focal point studied.And the key to accurately measuring of the laser-induced damage threshold is whether the laser-induced damage can be accurately identified when it occurs.In order to solve low accuracy, long testing time, narrow scope of applications and complex operation of the common damage identification methods, a new testing method to diagnose the laser-induced damage of optics, called plasma diagnosis, is proposed in this paper.Based on this new method, the testing platform was set up, and the spectrum obtained by fiber spectrometer was analyzed under laser radiation by different laser energies.Take whether the spectral lines of the feature element contained in the measured optics occur as standard.The laser-induced damage threshold of K9 glass has been tested, and the test result was compared to that measured by the plasma flash method and the microscope method.The results show that, the plasma diagnosis method proposed in this paper has high-accurate judgment, high-testing speed, simple testing equipment, and easy to realization, which can greatly improve the testing efficiency of the laser-induced damage threshold of optics.

Laser damage; Laser-induced damage threshold; Plasma; Spectrum diagnosis

2015-08-30，

2015-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61378050)，國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2013DFR70620)資助

葛錦蔓, 女，1984年生，南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院博士研究生 e-mail：gjm129@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: sujunhong@xatu.edu.cn

TH843

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1296-04