光学薄膜激光损伤检测研究的背景与意义

2014-01-04 admin1 179

  自从激光问世以来,光与物质相互作用这一重要科学领域得到了新的开拓。六十年代初,随着调Q激光器的出现,激光对物质的破坏作用就为人们所察觉。随着激光器研究的发展以及高功率激光器的出现,人们发现,光学器件本身所能承受的抗破坏能力已成为限制激光器有用输出功率提高的重要因素之一,因此,激光对材料的损伤就成了激光研究领域中的一项重要课题。

  光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件,并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。长期以来,激光对光学薄膜的破坏一直是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主因。另一方面,光学薄膜也是导弹、遥感卫星等航天飞行器中导引、定位、遥感甚至能源系统中的重要组成元件,应用强激光武器对光学薄膜元件的破坏可以造成航天飞行器的致眩、致盲、失控,甚至于系统的整体失效。光学薄膜中即使出现十分微小的瑕疵,也会导致输出光束质量的下降,严重时将引起整个系统的瘫痪,光学薄膜的抗损伤特性将直接影响到整个系统的设计方案以及今后系统运行的性能。所以,研究光学薄膜的抗激光破坏问题具有非常重要的意义。

  然而,激光对光学薄膜的损伤是一个复杂的过程,它由作用激光(重复频率、波长、脉宽、偏振态、模式、光斑、辐照方式等)和光学薄膜的性质(薄膜光学特性、膜料、制备工艺、薄膜结构、缺陷密度等)两方面决定。不同的激光参数条件对同一薄膜会产生不同的损伤结果。不仅如此,由于薄膜激光损伤是薄膜与强相干辐射相互作用的结果,在强相干辐射作用下,薄膜元件具有许多新的行为,而这些行为通常难以用经典薄膜光学理论进行解释。因此,研究薄膜激光损伤,分析薄膜与强激光相互作用的过程及其结果,将会促进强激光材料科学,强激光薄膜光学等新学科的形成与完善,因此具有重要的学术意义。

  1、光学薄膜激光损伤机理研究进展

  当激光强度达到足够高的量级时,材料将发生一系列不可逆的灾难性的变化,通常将这种现象称为损伤。在过去的30年间,对激光诱导光学材料和膜层损伤的理论、物理机制、损伤的检测以及提高材料抗损伤的方法研究已经成为高功率激光研究的一个重要领域,SPIE激光损伤专题国际学术会议年年召开,与会者众多,足以说明激光诱导损伤问题的复杂性。激光对光学薄膜的损伤过程是一个复杂的过程,对于不同的薄膜材料、制备方法、激光参数和作用模式[,破坏过程和损伤机理都有很大差异性,这里包含了激光作用的光学力学过程、场击穿过程等,但最基本的还是热过程,光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热,由热熔融或热力耦合导致薄膜的最终损伤。在大量的实验研究与理论分析的基础上,人们提出了雪崩离化、多光子吸收、杂质吸收、节瘤缺陷以及热爆炸模型破坏,等破坏机制,当然这些机制并不是普适的,在激光与薄膜相互作用过程中可能包括了多个过程或多种机制的耦合,由于破坏过程时间短,作用区域小,大多数分析都只能是针对破坏后的特性进行的,这给确切了解破坏过程带来很大难度。

  综合来说,多种机制的产生一方面说明激光与薄膜相互作用过程的复杂性,而另一方面也说明了人们对光学薄膜的激光损伤机制的认识是在不断地发展的。虽然各种机制都有其局限性,都是试图从某一个角度出发对激光与薄膜作用过程进行阐释,但在实际工作中,各种机制都为我们进一步提高薄膜的抗激光损伤性能指明了方向。理论界的工作者已倾向于综合考虑以多种机理的融合、贯通以求建立更完整的理论模型。几十年来,高功率激光薄膜及其激光破坏问题得到了长足的改进和发展。

  2、高能激光对光学薄膜的破坏

  较高功率激光的持续作用会产生几个基本的物理过程。一方面,薄膜在制备过程中产生的原发性缺陷,诸如节瘤,杂质等,在激光作用下会直接破坏,并不断扩大,另一方面,通过光化学,光离化,光热,光声等多种效应产生诸如缺陷等继发性缺陷在后续激光的作用下被摧毁产生新的破坏。当能量足够高时,激光的热力过程本身就会累积增加。具体的规律,因材料和工艺而异。有些缺陷,在激光停止作用后会恢复,其破坏狀态是瞬时的,有些微损伤却继续保留,当激光再次作用时,破坏会继续发展。这种破坏是永久性的。薄膜破坏的累积效应是与缺陷相关联的,抑制原发性缺陷的形成,消除继发性缺陷的诱因,有可能大幅度提高多脉冲激光作用下薄膜的破坏阈值。

  高能激光诱发的损伤现象主要有以下几种:

  1)激光在材料传输过程中产生横向受激布里渊散射效应,激发声波导致的材料机械损伤;

  2) 由于光学元件内的材料杂质在加工过程中引入的亚表面损伤,表面附着的灰尘和污渍以及划痕等缺陷对激光的衍射效应导致激光近场出现大量中高频调制,带有调制的光束在后续介质传输,光束近场可能会形成局部强区(非线性热像),从而引起光学元件表面点状损伤和材料内部出现自聚焦丝,当局部强区的激光通量超过光学元件的损伤阈值时,元件将会被损伤;

  3)激光在传输过程中被光学元件上的遮光物调制,携带调制信息的激光光场在下游光学元件中传输,调制部分的B积分增长很快,到一定量后光场将出现局部热像,热像强度是平均光强的好几倍,容易造成下游光学元件损伤;

  4) 在激光器运行中,光学元件排布密集的复杂光机结构中,部分杂散光和鬼光束不可避免的要照射到光机组件的金属筒壁上,当光强足够大时,金属筒壁溅射的金属污染颗粒会沉积到光学元件表面上,在后续激光辐照下,这些金属颗粒与激光相互作用生成的等离子体将强烈吸收激光能量,使元件表面热熔或炸裂,污染和元件的初始缺陷是诱发激光损伤的主要原因。

  3、光电检测技术原理及其发展趋势

  3.1、光电检测技术的原理

  光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一,它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础,通过对被检测物体的光辐射,经光电检测器接收光辐射并转换为电信号,由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息,再经模/数转换接口输入计算机运算处理,最后显示输出所需要的检测物理量等参数。

  光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光测量技术以及测量信息的光电处理技术等。主要有如下特点:

  1)精度高。激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m;用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可以达到1m。

  2)高速度。光电检测技术以光为媒介,而光的传播速度非常快,无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

  3)距离远、大量程。光是最便于远距离传输的介质,尤其适用于遥控和遥测,如光电跟踪等。

  4)非接触测量。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的,因此也无摩擦,可以实现动态测量,是各种测量方法中效率最高的。

  3.2、光电检测技术的发展趋势

  通过上面对光电检测技术的原理和特点的分析,同时随着各国在技术创新方面的日新月异,光电检测技术的发展趋势主要表现在:

  向高精度方向发展:检测精度向高精度方向发展,纳米、亚纳米高精度的光电检测新技术是今后的发展热点;

  向智能化方向发展:检测系统向智能化方向发展,如光电跟踪与光电扫描测量技术;

  向数字化方向发展:检测结果向数字化,实现光电测量与光电控制一体化方向发展;

  向多元化方向发展:光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展,并向人们无法触及的领域发展,如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术;

  向微型化方向发展:光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展,光电检测系统朝着小型、快速的微型光机电检测系统发展;

  向自动化方向发展:检测技术向自动化、非接触、快速在线测量方向发展,检测状态向动态测量方向发展。

  光电检测技术的发展趋势是与科技的整体发展趋势相适应的,还有一些是自己所特有的,整体上来说,是向着高精度、高速度方向发展。

  4、损伤阈值定义的发展

  数十年来,光学薄膜激光损伤机制的研究取得了长足进步,同时伴随损伤阈值测试手段以及损伤阈值定义的较大发展。

  当辐照激光能量密度较低时,光学薄膜的损伤主要由各类缺陷引起。由于薄膜本身的结构比较复杂,并且制备工艺繁琐,容易形成各类缺陷;贮存、运输等各个环节都可能引入各种污染,所以薄膜内部及其表面各类缺陷的分布非常复杂,相互之间的损伤阈值存在较大差异,这样在一定的能量密度范围内损伤往往呈现出概率性。因此,在功能性损伤阈值定义出现以前薄膜的损伤阈值都是以几率方式确定的。80年代之前多数采用的是50%几率损伤阈值, 定义为被检测薄膜的最大的不损伤能量和最小损伤能量的平均值。

  50%损伤阈值不确定性较大,并且存在所谓的“光斑效应”,即测试得到的损伤阈值对光斑尺寸的依赖性,这样导致同一样品在各实验室测得的损伤阈值有较大差异,体现了薄膜缺陷损伤的特点以及该定义的缺点。

  50% 几率损伤阈值定义的缺点推动了损伤阈值检测技术的研究与发展。80年代后期,薄膜的损伤阈值开始用零几率损伤阈值定义,它表示的是损伤几率恰好为零时对应激光的能量密度。其获取方法如下:用不同的能量等级对待测样品进行检测,得到对应的损伤几率,在激光能量和损伤几率的坐标系中记下相应的位置,然后对这些几率做线性拟合,该直线与能量轴的交点便是零几率损伤阈值。相比于50%阈值,零几率损伤阈值的不确定性要小很多;从应用角度来看,数值的可参考性也更大,更为重要的是,零几率损伤阈值定义从理论上消除了测试中的光斑效应。为了减小零几率损伤阈值的不确定性,在检测过程中能量等级应多一些,每一等级的测试点也应多一些,特别是20%-60%(或80%)的中间区域,此外要准确找到零几率的能量值,一般测试中选10 个能量等级,每个等级不小于10 个作用点。

  无论是50%几率损伤阈值定义还是0%几率损伤阈值定义都是以器质性变化作为损伤产生的判断依据,也就是说只要激光辐照后样品表面或内部出现可见的不可逆变化即认为产生了损伤,无论该变化是否影响其所在光学系统的整体性能。实际上光学薄膜的损伤有相当一部分由各类缺陷引起,其激光损伤特点是概率性强、面积小且在一定条件下能够保持稳定;而以目前的制备技术,完全消除缺陷是不可能的,显然这非常不利于光学薄膜元件的充分利用。基于一些激光系统允许其元件有一定程度的损伤的事实,Stolz等人提出了功能性损伤阈值的定义。

  所谓功能性损伤阈值,就是指激光辐照之后引起光学元件的变化不足以影响系统整体性能的最大能量密度。该定义下损伤产生与否的判断标准为系统的整体性能,主要表现为两个方面:首先,激光辐照产生的变化应足够小,不能改变元件的光学特性,诸如反射率、透过率等,也不能改变传输光束的特性,不至于影响元件在系统中的整体表现;其次,该变化应该是稳定的,在其所处系统正常工作的环境中不会发展成为灾难性损伤。

  显然,功能性损伤不仅要考虑元件在一次激光辐照下的表现,还要考虑在以后多次激光作用下的结果;不仅要考虑元件本身的性能,还要考虑其所属系统对其的要求及其性能表现。

  5、结语

  本章主要介绍了研究光学薄膜激光损伤检测研究的背景和意义、光学薄膜激光损伤机理研究进展、高能激光对光学薄膜的破坏、光电检测技术原理及其发展趋势以及光学元件损伤阈值定义的发展。光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的基本元件,并且也是激光系统中最薄弱的环节之一。光学薄膜中如果出现十分微小的瑕疵,会导致输出光束质量的下降,严重时将引起整个系统的瘫痪,光学薄膜的抗损伤特性将直接影响到整个系统的设计方案以及今后系统运行的性能。激光对光学薄膜的损伤是一个复杂的过程,它由作用激光和光学薄膜的性质两方面决定。不同的激光参数条件对同一薄膜会产生不同的损伤结果。损伤最基本的还是热过程,光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热,由热熔融或热力耦合导致薄膜的最终损伤。激光损伤检测的光电检测技术的研究成为了光电信息技术的研究重点,重要的是检测系统能够对光学元件的损伤进行在线监测。光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础,通过对被检测物体的光辐射,经光电检测器接受光辐射并转换为电信号,由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息,再经模/数转换接口输入计算机运算处理,最后显示输出所需要的检测物理量等参数。现今光电检测技术正向着高精度、高速度方向发展。光学元件在高能激光辐照下的损伤阈值一直是相关课题研究的重点和难点。80 年代之前采用的50%几率损伤阈值, 定义为被检测薄膜的最大的不损伤能量和最小损伤能量的平均值,不确定性较大。80 年代后期出现的零几率损伤阈值定义为损伤几率恰好为零时对应激光的能量密度。后来提出了功能性损伤阈值,就是指激光辐照之后引起光学元件的变化不足以影响系统整体性能的最大能量密度。

 

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