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激光损伤阈值测试
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激光损伤阈值测试

This is Sections 3.2, 3.3, and 3.4 of the Laser Optics Resource Guide.

激光损伤测试具有内在的破坏性。接受测试的光学仪器暴露在一定程度的激光能量密度下,然后进行检测,通常使用诺玛斯基型微分干涉差(DIC) 显微镜进行检查。然后增加能量密度,并重复暴露和检查步骤。这个过程一直持续到在光学元件上观察到损伤。尽管从概念上来说,这是一个简单的过程,但也有几个层次的复杂性。

根据 ISO 21254,任何可检测到的光学元件变化都被认为是“损伤”。根据损伤评估方式,可能会产生不同的 LIDT 值,因为并非所有测试都使用相同的损伤检测方案,而且不同的操作人员可能会选择不同的信噪比阈值。必须认识到,ISO 定义的“损伤”并不一定意味着性能下降,因为它取决于应用。

LIDT 测试由单一或多样本测试指定。单一样本测试(也称为 1-on-1 测试)包括在具有不同激光能量密度的光学元件的至少 10 个不同采样点上采集的一个激光辐射样本。该能量密度下所有测试点上的损伤点数量确定特定能量密度下的损伤概率。损伤概率的绘制取决于能量密度,然后将数据线性外推以找到损伤概率为 0% 的位置,得到 LIDT 值(图 1)。

图 1: 单一样本测试的采样数据
图 1: 单一样本测试的采样数据

多样本(或称为 S-on-1)测试与单一样本测试的不同之处在于,它在每个测试点上使用一连串激光样本或脉冲,而不是单一样本。每个测试点(或称 S)的平均样本数在 10 到 1000 之间。多样本测试可以更好地预测光学元件的真实性能,并使 LIDT 测试人员能够避免被称为“早夭区域”的现象。1 如果在每个测试点使用 1 到 10 个样本,测试结果是非确定性的,并且有很高的统计差异;这使得每个测试点的样本范围被称为早夭区域。当 S 大于 10 时,测试结果更具确定性和可预测性。因此,在每个测试点使用大约 100 个左右样本,可以收集足够的信息来预测光学的长期性能。不过,在每个测试点使用更多样本会增加 LIDT 测试的时间和费用。

损伤检测方法

根据用于评估损伤的检测方法,测试结果可能会有显著差异,目前业内对使用哪种方法没有共识。尽管显微镜检查是识别损伤最常用的检测方法,但也有几种其他检测方法,包括散射光诊断、等离子体闪光监测和形态学分析。

微分干涉差显微镜

诺玛斯基型微分干涉差 (DIC) 显微镜是按照 ISO 21254 标准进行激光损伤检测最常用的方法。DIC 显微镜采用干涉测量法提高透明样品的图像对比度,从而能观察到其他方法难以识别的缺陷。2 一旦拍摄测试前和测试后的光学元件的图像,便可以通过人为判断或图像处理技术识别损伤。由于操作者对损伤的主观识别不同,人为判断测试结果可能会存在巨大差异,图像处理算法在检测损伤时则不会出现人为误差。不过,即使是在图像处理中,也可能是由于光晕、不均匀照明或不对齐造成误报。除了确认损伤的存在,DIC 显微镜还可以确定缺陷的尺寸。

散射光诊断

ISO 21254 中定义的另一种常见检测方法是散射光诊断。该方法利用目标点散射的光确定激光诱导损伤的存在和特征。2 在散射光诊断中,探测光束(通常是 HeNe 激光器)照亮目标位置,任何明显大于背景噪声的散射信号差都意味着光学元件上存在损伤(图 2)。探测光束本身会在到达探测器之前被阻挡,因此只能从损伤点检测到散射光。

图 2: 散射信号在激光诱导损伤发生后的剧烈变化
图 2: 散射信号在激光诱导损伤发生后的剧烈变化

在用于散射光诊断的标准设置中,探测器的实角越大,测量灵敏度越高(图 3)。这种方法的一个缺点在于它严重依赖于背景噪声的数量。这种依赖性可以通过多次测量并对结果求平均值、增加探测器的增益或滤除背景噪声来克服。

图 3: 用于 LIDT 测试的典型散射光诊断装置示意图
图 3: 用于 LIDT 测试的典型散射光诊断装置示意图

等离子体闪光监测

等离子体闪光监测是检测激光损伤的另一种方法。激光诱导损伤常常导致非共振光击穿在光学表面产生等离子体(称为等离子体闪光),这会使损伤点周围形成等离子体烧灼。识别到等离子体闪光或烧灼是光学元件受损的明显迹象。2 等离子体烧灼的表面积相对均匀 - 这使得它们很难通过显微镜或散射光诊断检测。不过,等离子体闪光本身可以在 LIDT 测试期间通过收集透镜将任何等离子体闪光的光聚焦到检测器上来进行检测(图 4)。要检测 LIDT,需要将测试激光器的散射光过滤掉,而且探测器的响应时间必须小于等离子体闪光的持续时间,等离子体闪光通常在 100ns 内达到最大值。

图 4: 用于 LIDT 测试的典型等离子体闪光监测装置示意图
图 4: 用于 LIDT 测试的典型等离子体闪光监测装置示意图

形态学分析

激光损伤形态学分析包括生成激光诱导损伤点的高度图,描述损伤的大小和深度。2 这种方法不像其他检测方法那样常用,因为它通常比较繁琐和耗时。不过,通过这种方法提供了有价值的信息来理解造成损伤的潜在机制。可以采用多种不同的技术来进行形态学分析,包括光学显微镜、原子力显微镜 (AFM)、扫描电子显微镜 (SEM)、台阶仪和白光干涉法 (WLI)。

不同的技术适用于检测不同类型的激光诱导损伤。台阶仪和 AFM 是精确测量浅损伤点(直径约为 200μm 或更小、深度为 1 纳米量级)的理想选择。这两种技术都涉及到使用机械探头扫描样品,并根据探头的挠度生成高度图。AFM 系统能够达到纳米量级的分辨率,即比可见光的光学衍射极限小 1000 倍的分辨率。

相较于台阶仪和 AFM,SEM 能更有效地测量宽高比(宽深比)约为 1的深层损伤点,包括多层镀膜沉积留下的坑。SEM 通过使用聚焦电子光束扫描样品表面来生成图像,这种电子光束的穿透深度比光子深得多。3 台阶仪和 AFM 不适合测量深层损伤点,因为陡坡使得接触探针难以到达缺陷底部并生成精确的测量结果。

由于传统的形态学分析技术只对光学表面进行调查,所以很难测量穿透到大块材料或精确结构的极深损伤点。为了测量这些损伤点,必须通过切割或蚀刻将大块材料暴露出来,以便使用前面提到的其中一种技术在不同深度进行横断面测量。这些横截面可以组合成一个完整的三维形态图。

解释 LIDT 测试结果

通过对测试数据进行线性外推来确定损伤概率为零的激光能量密度,从而确定光学元件的指定 LIDT。不过,这是线性拟合数据,而不是真正的线性数据。这个值不能提供所有必要的信息,而且损伤仍然可能发生在 LIDT 或 LIDT 以下。威布尔和伯尔分布是连续的概率分布,它们为 LIDT 数据提供了更精确的拟合(图 5)。

图 5: 真实 LIDT 测试数据(使用红色垂直线和最佳拟合的 2 参数威布尔分布表示 LIDT 值)表明在 LIDT 值以下仍然有一定的损伤可能性
图 5: 真实 LIDT 测试数据(使用红色垂直线和最佳拟合的 2 参数威布尔分布表示 LIDT 值)表明在 LIDT 值以下仍然有一定的损伤可能性

在 5 J/cm2 左右的能量密度下,即使低于指定的 LIDT 值,损伤概率也不为零。损伤概率的垂直误差条由测试点的数量引起,水平误差条则由测试激光器的样本差异引起。因为没有一种激光是完美的,所以总会有一定程度的热点或强度波动。这就有必要增加一个安全系数,选择一个 LIDT 高于激光器使用条件的光学元件。所需的安全系数在很大程度上取决于激光器的应用和类型,因此没有适用于所有情况的通用安全系数。一般的行业惯例是使用三分之二的安全系数。However, if the laser induced damage is defect driven, there are statistical models that can be used to evaluate the damage probability at different safety factors (see our Importance of Beam Diameter on Laser Damage Threshold app note).

参考文献

  1. Johnson, Lawrence A. Laser Diode Burn-In and Reliability Testing. ILX Lightwave, 2006.
  2. Ristau, Detlev. Laser-Induced Damage in Optical Materials. CRC Press, 2016.
  3. Kanaya, K. “Penetration and Energy-Loss Theory of Electrons in Solid Targets.” J. Phys. D: Appl. Phys. 5, 43, 1972.
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