光學(xué)薄膜激光損傷檢測研究的背景與意義

　　自從激光問世以來，光與物質(zhì)相互作用這一重要科學(xué)領(lǐng)域得到了新的開拓。六十年代初，隨著調(diào)Q激光器的出現(xiàn)，激光對物質(zhì)的破壞作用就為人們所察覺。隨著激光器研究的發(fā)展以及高功率激光器的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)，光學(xué)器件本身所能承受的抗破壞能力已成為限制激光器有用輸出功率提高的重要因素之一，因此，激光對材料的損傷就成了激光研究領(lǐng)域中的一項重要課題。

　　光學(xué)薄膜幾乎是所有光學(xué)系統(tǒng)中不可缺少的基本元件，并且也是激光系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。長期以來，激光對光學(xué)薄膜的破壞一直是限制激光向高功率、高能量方向發(fā)展的“瓶頸”，也是影響高功率激光薄膜元件使用壽命的主因。另一方面，光學(xué)薄膜也是導(dǎo)彈、遙感衛(wèi)星等航天飛行器中導(dǎo)引、定位、遙感甚至能源系統(tǒng)中的重要組成元件，應(yīng)用強(qiáng)激光武器對光學(xué)薄膜元件的破壞可以造成航天飛行器的致眩、致盲、失控，甚至于系統(tǒng)的整體失效。光學(xué)薄膜中即使出現(xiàn)十分微小的瑕疵，也會導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的下降，嚴(yán)重時將引起整個系統(tǒng)的癱瘓，光學(xué)薄膜的抗損傷特性將直接影響到整個系統(tǒng)的設(shè)計方案以及今后系統(tǒng)運(yùn)行的性能。所以，研究光學(xué)薄膜的抗激光破壞問題具有非常重要的意義。

　　然而，激光對光學(xué)薄膜的損傷是一個復(fù)雜的過程，它由作用激光(重復(fù)頻率、波長、脈寬、偏振態(tài)、模式、光斑、輻照方式等)和光學(xué)薄膜的性質(zhì)(薄膜光學(xué)特性、膜料、制備工藝、薄膜結(jié)構(gòu)、缺陷密度等)兩方面決定。不同的激光參數(shù)條件對同一薄膜會產(chǎn)生不同的損傷結(jié)果。不僅如此，由于薄膜激光損傷是薄膜與強(qiáng)相干輻射相互作用的結(jié)果，在強(qiáng)相干輻射作用下，薄膜元件具有許多新的行為，而這些行為通常難以用經(jīng)典薄膜光學(xué)理論進(jìn)行解釋。因此，研究薄膜激光損傷，分析薄膜與強(qiáng)激光相互作用的過程及其結(jié)果，將會促進(jìn)強(qiáng)激光材料科學(xué)，強(qiáng)激光薄膜光學(xué)等新學(xué)科的形成與完善，因此具有重要的學(xué)術(shù)意義。

　　1、光學(xué)薄膜激光損傷機(jī)理研究進(jìn)展

　　當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到足夠高的量級時，材料將發(fā)生一系列不可逆的災(zāi)難性的變化，通常將這種現(xiàn)象稱為損傷。在過去的30年間，對激光誘導(dǎo)光學(xué)材料和膜層損傷的理論、物理機(jī)制、損傷的檢測以及提高材料抗損傷的方法研究已經(jīng)成為高功率激光研究的一個重要領(lǐng)域，SPIE激光損傷專題國際學(xué)術(shù)會議年年召開，與會者眾多，足以說明激光誘導(dǎo)損傷問題的復(fù)雜性。激光對光學(xué)薄膜的損傷過程是一個復(fù)雜的過程，對于不同的薄膜材料、制備方法、激光參數(shù)和作用模式[，破壞過程和損傷機(jī)理都有很大差異性，這里包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)過程、場擊穿過程等，但最基本的還是熱過程，光通過本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為熱，由熱熔融或熱力耦合導(dǎo)致薄膜的最終損傷。在大量的實驗研究與理論分析的基礎(chǔ)上，人們提出了雪崩離化、多光子吸收、雜質(zhì)吸收、節(jié)瘤缺陷以及熱爆炸模型破壞，等破壞機(jī)制，當(dāng)然這些機(jī)制并不是普適的，在激光與薄膜相互作用過程中可能包括了多個過程或多種機(jī)制的耦合，由于破壞過程時間短，作用區(qū)域小，大多數(shù)分析都只能是針對破壞后的特性進(jìn)行的，這給確切了解破壞過程帶來很大難度。

　　綜合來說，多種機(jī)制的產(chǎn)生一方面說明激光與薄膜相互作用過程的復(fù)雜性，而另一方面也說明了人們對光學(xué)薄膜的激光損傷機(jī)制的認(rèn)識是在不斷地發(fā)展的。雖然各種機(jī)制都有其局限性，都是試圖從某一個角度出發(fā)對激光與薄膜作用過程進(jìn)行闡釋，但在實際工作中，各種機(jī)制都為我們進(jìn)一步提高薄膜的抗激光損傷性能指明了方向。理論界的工作者已傾向于綜合考慮以多種機(jī)理的融合、貫通以求建立更完整的理論模型。幾十年來，高功率激光薄膜及其激光破壞問題得到了長足的改進(jìn)和發(fā)展。

　　2、高能激光對光學(xué)薄膜的破壞

　　較高功率激光的持續(xù)作用會產(chǎn)生幾個基本的物理過程。一方面，薄膜在制備過程中產(chǎn)生的原發(fā)性缺陷，諸如節(jié)瘤，雜質(zhì)等，在激光作用下會直接破壞，并不斷擴(kuò)大，另一方面，通過光化學(xué)，光離化，光熱，光聲等多種效應(yīng)產(chǎn)生諸如缺陷等繼發(fā)性缺陷在后續(xù)激光的作用下被摧毀產(chǎn)生新的破壞。當(dāng)能量足夠高時，激光的熱力過程本身就會累積增加。具體的規(guī)律，因材料和工藝而異。有些缺陷，在激光停止作用后會恢復(fù)，其破壞狀態(tài)是瞬時的，有些微損傷卻繼續(xù)保留，當(dāng)激光再次作用時，破壞會繼續(xù)發(fā)展。這種破壞是永久性的。薄膜破壞的累積效應(yīng)是與缺陷相關(guān)聯(lián)的，抑制原發(fā)性缺陷的形成，消除繼發(fā)性缺陷的誘因，有可能大幅度提高多脈沖激光作用下薄膜的破壞閾值。

　　高能激光誘發(fā)的損傷現(xiàn)象主要有以下幾種：

　　1)激光在材料傳輸過程中產(chǎn)生橫向受激布里淵散射效應(yīng)，激發(fā)聲波導(dǎo)致的材料機(jī)械損傷;

　　2) 由于光學(xué)元件內(nèi)的材料雜質(zhì)在加工過程中引入的亞表面損傷，表面附著的灰塵和污漬以及劃痕等缺陷對激光的衍射效應(yīng)導(dǎo)致激光近場出現(xiàn)大量中高頻調(diào)制，帶有調(diào)制的光束在后續(xù)介質(zhì)傳輸，光束近場可能會形成局部強(qiáng)區(qū)(非線性熱像)，從而引起光學(xué)元件表面點狀損傷和材料內(nèi)部出現(xiàn)自聚焦絲，當(dāng)局部強(qiáng)區(qū)的激光通量超過光學(xué)元件的損傷閾值時，元件將會被損傷;

　　3)激光在傳輸過程中被光學(xué)元件上的遮光物調(diào)制，攜帶調(diào)制信息的激光光場在下游光學(xué)元件中傳輸，調(diào)制部分的B積分增長很快，到一定量后光場將出現(xiàn)局部熱像，熱像強(qiáng)度是平均光強(qiáng)的好幾倍，容易造成下游光學(xué)元件損傷;

　　4) 在激光器運(yùn)行中，光學(xué)元件排布密集的復(fù)雜光機(jī)結(jié)構(gòu)中，部分雜散光和鬼光束不可避免的要照射到光機(jī)組件的金屬筒壁上，當(dāng)光強(qiáng)足夠大時，金屬筒壁濺射的金屬污染顆粒會沉積到光學(xué)元件表面上，在后續(xù)激光輻照下，這些金屬顆粒與激光相互作用生成的等離子體將強(qiáng)烈吸收激光能量，使元件表面熱熔或炸裂，污染和元件的初始缺陷是誘發(fā)激光損傷的主要原因。

　　3、光電檢測技術(shù)原理及其發(fā)展趨勢

　　3.1、光電檢測技術(shù)的原理

　　光電檢測技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。

　　光電檢測技術(shù)主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光測量技術(shù)以及測量信息的光電處理技術(shù)等。主要有如下特點：

　　1)精度高。激光干涉法測量長度的精度可達(dá)0.05μm/m;用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可以達(dá)到1m。

　　2)高速度。光電檢測技術(shù)以光為媒介，而光的傳播速度非?？?，無疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。

　　3)距離遠(yuǎn)、大量程。光是最便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)慕橘|(zhì)，尤其適用于遙控和遙測，如光電跟蹤等。

　　4)非接觸測量。光照到被測物體上可以認(rèn)為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實現(xiàn)動態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的。

　　3.2、光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　通過上面對光電檢測技術(shù)的原理和特點的分析，同時隨著各國在技術(shù)創(chuàng)新方面的日新月異，光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：

　　向高精度方向發(fā)展：檢測精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米高精度的光電檢測新技術(shù)是今后的發(fā)展熱點;

　　向智能化方向發(fā)展：檢測系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù);

　　向數(shù)字化方向發(fā)展：檢測結(jié)果向數(shù)字化，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化方向發(fā)展;

　　向多元化方向發(fā)展：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數(shù)、多維測量等多元化方向發(fā)展，并向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展，如微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù);

　　向微型化方向發(fā)展：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展，光電檢測系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光機(jī)電檢測系統(tǒng)發(fā)展;

　　向自動化方向發(fā)展：檢測技術(shù)向自動化、非接觸、快速在線測量方向發(fā)展，檢測狀態(tài)向動態(tài)測量方向發(fā)展。

　　光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是與科技的整體發(fā)展趨勢相適應(yīng)的，還有一些是自己所特有的，整體上來說，是向著高精度、高速度方向發(fā)展。

　　4、損傷閾值定義的發(fā)展

　　數(shù)十年來，光學(xué)薄膜激光損傷機(jī)制的研究取得了長足進(jìn)步，同時伴隨損傷閾值測試手段以及損傷閾值定義的較大發(fā)展。

　　當(dāng)輻照激光能量密度較低時，光學(xué)薄膜的損傷主要由各類缺陷引起。由于薄膜本身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且制備工藝繁瑣，容易形成各類缺陷;貯存、運(yùn)輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)都可能引入各種污染，所以薄膜內(nèi)部及其表面各類缺陷的分布非常復(fù)雜，相互之間的損傷閾值存在較大差異，這樣在一定的能量密度范圍內(nèi)損傷往往呈現(xiàn)出概率性。因此，在功能性損傷閾值定義出現(xiàn)以前薄膜的損傷閾值都是以幾率方式確定的。80年代之前多數(shù)采用的是50%幾率損傷閾值， 定義為被檢測薄膜的最大的不損傷能量和最小損傷能量的平均值。

　　50%損傷閾值不確定性較大，并且存在所謂的“光斑效應(yīng)”，即測試得到的損傷閾值對光斑尺寸的依賴性，這樣導(dǎo)致同一樣品在各實驗室測得的損傷閾值有較大差異，體現(xiàn)了薄膜缺陷損傷的特點以及該定義的缺點。

　　50% 幾率損傷閾值定義的缺點推動了損傷閾值檢測技術(shù)的研究與發(fā)展。80年代后期，薄膜的損傷閾值開始用零幾率損傷閾值定義，它表示的是損傷幾率恰好為零時對應(yīng)激光的能量密度。其獲取方法如下：用不同的能量等級對待測樣品進(jìn)行檢測，得到對應(yīng)的損傷幾率，在激光能量和損傷幾率的坐標(biāo)系中記下相應(yīng)的位置，然后對這些幾率做線性擬合，該直線與能量軸的交點便是零幾率損傷閾值。相比于50%閾值，零幾率損傷閾值的不確定性要小很多;從應(yīng)用角度來看，數(shù)值的可參考性也更大，更為重要的是，零幾率損傷閾值定義從理論上消除了測試中的光斑效應(yīng)。為了減小零幾率損傷閾值的不確定性，在檢測過程中能量等級應(yīng)多一些，每一等級的測試點也應(yīng)多一些，特別是20%-60%(或80%)的中間區(qū)域，此外要準(zhǔn)確找到零幾率的能量值，一般測試中選10 個能量等級，每個等級不小于10 個作用點。

　　無論是50%幾率損傷閾值定義還是0%幾率損傷閾值定義都是以器質(zhì)性變化作為損傷產(chǎn)生的判斷依據(jù)，也就是說只要激光輻照后樣品表面或內(nèi)部出現(xiàn)可見的不可逆變化即認(rèn)為產(chǎn)生了損傷，無論該變化是否影響其所在光學(xué)系統(tǒng)的整體性能。實際上光學(xué)薄膜的損傷有相當(dāng)一部分由各類缺陷引起，其激光損傷特點是概率性強(qiáng)、面積小且在一定條件下能夠保持穩(wěn)定;而以目前的制備技術(shù)，完全消除缺陷是不可能的，顯然這非常不利于光學(xué)薄膜元件的充分利用?；谝恍┘す庀到y(tǒng)允許其元件有一定程度的損傷的事實，Stolz等人提出了功能性損傷閾值的定義。

　　所謂功能性損傷閾值，就是指激光輻照之后引起光學(xué)元件的變化不足以影響系統(tǒng)整體性能的最大能量密度。該定義下?lián)p傷產(chǎn)生與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)的整體性能，主要表現(xiàn)為兩個方面：首先，激光輻照產(chǎn)生的變化應(yīng)足夠小，不能改變元件的光學(xué)特性，諸如反射率、透過率等，也不能改變傳輸光束的特性，不至于影響元件在系統(tǒng)中的整體表現(xiàn);其次，該變化應(yīng)該是穩(wěn)定的，在其所處系統(tǒng)正常工作的環(huán)境中不會發(fā)展成為災(zāi)難性損傷。

　　顯然，功能性損傷不僅要考慮元件在一次激光輻照下的表現(xiàn)，還要考慮在以后多次激光作用下的結(jié)果;不僅要考慮元件本身的性能，還要考慮其所屬系統(tǒng)對其的要求及其性能表現(xiàn)。

　　5、結(jié)語

　　本章主要介紹了研究光學(xué)薄膜激光損傷檢測研究的背景和意義、光學(xué)薄膜激光損傷機(jī)理研究進(jìn)展、高能激光對光學(xué)薄膜的破壞、光電檢測技術(shù)原理及其發(fā)展趨勢以及光學(xué)元件損傷閾值定義的發(fā)展。光學(xué)薄膜幾乎是所有光學(xué)系統(tǒng)中不可缺少的基本元件，并且也是激光系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。光學(xué)薄膜中如果出現(xiàn)十分微小的瑕疵，會導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的下降，嚴(yán)重時將引起整個系統(tǒng)的癱瘓，光學(xué)薄膜的抗損傷特性將直接影響到整個系統(tǒng)的設(shè)計方案以及今后系統(tǒng)運(yùn)行的性能。

激光對光學(xué)薄膜的損傷是一個復(fù)雜的過程，它由作用激光和光學(xué)薄膜的性質(zhì)兩方面決定。不同的激光參數(shù)條件對同一薄膜會產(chǎn)生不同的損傷結(jié)果。損傷最基本的還是熱過程，光通過本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為熱，由熱熔融或熱力耦合導(dǎo)致薄膜的最終損傷。激光損傷檢測的光電檢測技術(shù)的研究成為了光電信息技術(shù)的研究重點，重要的是檢測系統(tǒng)能夠?qū)鈱W(xué)元件的損傷進(jìn)行在線監(jiān)測。光電檢測技術(shù)是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。

現(xiàn)今光電檢測技術(shù)正向著高精度、高速度方向發(fā)展。光學(xué)元件在高能激光輻照下的損傷閾值一直是相關(guān)課題研究的重點和難點。80 年代之前采用的50%幾率損傷閾值， 定義為被檢測薄膜的最大的不損傷能量和最小損傷能量的平均值，不確定性較大。80 年代后期出現(xiàn)的零幾率損傷閾值定義為損傷幾率恰好為零時對應(yīng)激光的能量密度。后來提出了功能性損傷閾值，就是指激光輻照之后引起光學(xué)元件的變化不足以影響系統(tǒng)整體性能的最大能量密度。

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