专利名称双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值测量装置和方法

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专利名称双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值测量装置和方法
技术领域本发明涉及光学薄膜的光学性能评价，特别是一种双波长激光同时辐照下光学薄 膜损伤阈值的测量装置和方法。
背景技术在目前的国际标准ISO 11254-1中，仅存在一种波长激光辐照光学薄膜的测量装 置和评价体系。其基本方法为通过单个波长激光辐照薄膜，判断薄膜在某一能量密度E下 的损伤点个数S，一般测量10个点，则得到损伤发生的概率为P = S/10，随后改变其能量密 度^，氏...，而重新得到相应的损伤概率Pi，P2...，采取直线拟合所得损伤概率P和对应能 量密度数据点E可得到损伤阈值值①。而近年来随着各种激光器的发展和应用，很多光学 元件需要被不同波长激光同时辐照，因此对双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量 要求也越来越迫切。而目前国内外尚没有对两个波长激光同时辐照下光学薄膜损伤阈值测 量装置和评价方法。
3 c) Q2 h9 u' l0 x5 y5 A1 G9 z发明内容
本发明为了解决上述现有技术的不足，提供了一种双波长激光同时辐照下光学薄 膜损伤阈值的测量装置和测量方法。本发明的技术解决方案如下一种双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值测量装置，包括输出波长为\ X的第 一激光器和输出波长为入2的第二激光器，用于准直光路和协助监测损伤破坏的第三激光 器，一个位于移动平台上的待测样品，特点在于其构成是在所述的第一激光器输出的第一激光路上依次设置第一能量衰减器、第一分光镜 和第一透镜，波长为入工的激光辐照在所述的待测样品上，在所述的第一分光镜的反射光路 上设置第一能量计，用以测量波长为、！的激光能量；在所述的第二激光器输出的第二激光路上依次设置光路延时器、第二能量衰减 器、第二分光镜和第二透镜，波长为入2的激光辐照在所述的待测样品上，在所述的第二分 光镜的反射光路上设置第二能量计，用以测量波长为入2的激光能量；在所述的待测样品的表面空间设置CCD在线判断装置，所述的第一激光器、第二 激光器、第三激光器、(XD在线判断装置和移动平台通过通信线与计算机连接。所述的第一透镜和第二透镜都具有沿光轴方向的移动调节机构。所述的光路延时器由依次设置的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射 镜形成的U形折叠光路构成所述的能量衰减器由可旋转的半波片和一个偏振片组成。所述的第一激光路和第二激光路还设置有适当的数量的反射镜，使第一激光路和 第二激光路的光程基本相等。利用上述的双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装置进行双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量方法，包括下列步骤①调整光路调整所述的光路延时器，同时移动所述的第二反射镜和第三反射镜 的位置，使第一激光路和第二激光路的光程相等，即在所述的计算机的控制下，使Λ工激光 和Λ 2激光同时辐照在所述的待测样品上；②通过所述的第一透镜和第二透镜的移动调节机构，调整所述的第一透镜和第二 透镜的位置，使所述的X1激光和Λ2激光辐照在所述的待测样品上的的光斑大小相同；③进行单波长激光辐照光学薄膜损伤阈值测量启动计算机并控制所述的第二激 光器、移动平台、第三激光器、第二能量计和CCD在线判断装置，实施单个波长Λ 2激光，按 国际标准IS011254-1测量Λ 2激光单独辐照下待测样品的损伤阈值Φ Λ2 ；④进行双波长激光辐照光学薄膜损伤阈值测量启动计算机并控制第一激光 器、第二激光器、移动平台、第三激光器、第一能量计、第二能量计和CCD在线判断装置，选 取波长X1激光能量密度为固定值，施加波长Λ2激光同时辐照待测样品，按照国际标准 IS011254-1进行测量，通过所述的CCD在线判断装置即时判断待测样品薄膜在某一能量密 度E下的损伤点个数S, 一般测量10个点，则得到损伤发生的概率为P = S/10，随后改变其 能量密度E1, E2...，重新得到相应的损伤概率P1, P2...，在E-P平面坐标中，绘制数据点，采 取直线拟合，该直线与能量密度坐标轴的交点就是损伤阈值值Φ，即波长Λ工激光固定能量 密度下的双波长激光同时辐照的损伤阈值；⑤改变波长Λ工激光能量密度，重复步骤④得到波长X1激光不同能量密度下，双 波长激光入工和人2同时辐照下的损伤阈值Φλ1+Λ2;⑥采用阈值差比较法来判定不同波长激光在光学薄膜损伤中的贡献，即Λ工和Λ 2
的激光双波长同时作用下的损伤阈值与单个波长Λ 2激光作用的损伤阈值Φ Λ2差值与加入
) }- G- i0 }8 s9 EΗ Φλ~Φ ,
的单个波长的能量密度Ελ1进行比值的方法，BP^1 ^ V ，来评价和判定某一波长
& F+ a+ a. u8 S" g/ n. W7 }Λ ！激光在双波长同时辐照光学薄膜损伤中的贡献Ru。本发明的技术效果本发明提出双波长激光同时辐照下光学薄膜损伤阈值的测量装置和测量方法，本 发明还提出了阈值差比较法，即入工和Λ 2的激光双波长同时作用下的损伤阈值Φ…。与 单个波长Λ2激光作用的损伤阈值Φλ2差值与加入的单个波长的能量密度Ελ1进行比值的 方法，来评价和判定某一波长的激光Λ工在双波长同时辐照光学薄膜损伤中的贡献。采用 该技术可以有效测量双波长激光同时辐照待测样品的损伤阈值，并且可以对某一波长激光 在损伤中的贡献做出评价。
& p2 z9 T# u; H# @7 S9 t附图说明

; Z" Y8 K% b; R4 Y" v* w图1是本发明双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值测量装置实施例1的结构示 意2是本发明实施例2的结构示意3是1064nm和355nm纳秒量级激光同时辐照待测样品损伤阈值数据
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，但是不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值测量装置实 施例1的结构示意图，由图可见，本发明双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装 置，包括输出波长为X1的第一激光器2和输出波长为Λ 2的第二激光器3，用于准直光路 和协助监测损伤破坏第三激光器7，一个位于移动平台27上的待测样品28，其构成是在所述的第一激光器2输出的第一激光路上依次设置第一能量衰减器8、第一分 光镜20和第一透镜12，波长为Λ工的激光辐照在所述的待测样品28上，在所述的第一分光 镜20的反射光路上设置第一能量计10，用以测量波长为Λ工的激光能量；在所述的第二激光器3输出的第二激光路上依次设置光路延时器6、第二能量衰 减器9、第二分光镜21和第二透镜13，波长为Λ 2的激光辐照在所述的待测样品28上，在 所述的第二分光镜21的反射光路上设置第二能量计11，用以测量波长为Λ2的激光能量；在所述的待测样品28的表面空间设置CXD在线判断装置14，所述的第一激光器 2、第二激光器3、第三激光器7、(XD在线判断装置14和移动平台27通过通信线与计算机1 串口连接。本实施例中，在第一激光器2和第一能量衰减器8之间还有第七反射镜23，在第一 分光镜20和第一透镜12之间设有第八反射镜24，所述的光路延时器6由依次设置的第一 反射镜15、第二反射镜16、第三反射镜17和第四反射镜18形成的U形折叠光路构成，在所 述的光路延时器6和第二能量衰减器9之间有第五反射镜19，在所述的第二分光镜21和第 二透镜13之间有第六反射镜22。所述的光路延时器6的调节，以保证Λ工激光和Λ 2激光 到达待测样品28的时间一致。此方法比较简单，易于操作，在误差范围内可以保证两束激 光到达待测样品的时间差小于0. 1ns，对于纳秒量级的激光的要求已经足够。而对于延时精 确度较高的如飞秒脉冲激光，可用电移平台的方法来实现光路延时。为保证两束激光光斑 大小等参数的一致性，不同波长入工和Λ 2激光经过第一透镜12，和第二透镜13后入射到 待测样品28上的角度差不宜过大，最好在5°以内。 所述的第一能量衰减器8和第二能量衰减器9由可旋转的半波片和一个偏振片组 成。请参阅图2，图2是本发明实施例2的结构示意图，是用于1064nm和355nm纳秒量 级激光同时辐照待测样品损伤阈值的测量装置的结构示意图。图2中1为计算机，26为基模(TEMJ Nd: YAG激光器，可输出基频波长为1064nm纳 秒量级激光，经过内置KTP晶体倍频后，形成偏振方向和1064nm激光垂直的532nm倍频激 光，再经过BBO晶体可得到355nm三倍频激光。7为He-Ne激光器，用来准直光路和帮助对 损伤过程的实时监测，该激光器输出632. Snm连续激光，经过反射镜39和反射镜40到达待 测样品28的表面。所述的1064nm、532nm、355nm混频激光经过三倍频激光分离膜31。其中 1064nm和532nm倍频激光沿着图中所示光路30传播，1064nm激光和532nm倍频激光经过 倍频激光分离膜37后，分离出532nm激光27，采用泡沫板装置42对532nm倍频激光进行回 收。随后得到的1064nm激光经过第一能量衰减器8，波长1064nm激光经过第一分光镜20， 由第一能量计10测量，经过反射镜41后由第一透镜12会聚到待测样品28上。
所述的355nm激光沿所示光路29传播，经过两个355nm激光反射镜32和355nm激光反射镜33组成的光学路径延迟装置。见虚线框6内为光学路径延迟装置，调节反射镜 32，反射镜33的上下位置可简单的调节355nm激光传播光程，以保证1064nm和355nm激光 到达测量待测样品28上的时间差小于0. Ins0 355nm激光经过反射镜34，反射镜35后，经 过第二能量衰减器9，波长355nm激光经过第二分光镜21，由第二能量计11测量，经过反射 镜36后由第二透镜13会聚到待测样品28上。待测样品28放置在一个由步进电机驱动的二维平台27上，该二维平台可以根据 测量的需要在一个平面上下左右移动，其单步移动的精度为5 Μ M。第一透镜12和第二透 镜13为两组不同焦距的透镜，对不同波长的激光进行聚焦，并可以通过前后移动第一透镜 12和第二透镜13的位置使辐照在待测样品上的激光光斑大小一致。14为CXD在线判断装 置，在测量过程中，CCD必须对准损伤发生点，并依赖He-Ne激光7在薄膜表面的散射来判断 损伤的发生。旋转第一能量衰减器8，第二能量衰减器9的半波片、第一能量计10，第二能 量计11记录激光能量、待测样品28位置的移动、损伤发生的在线判断都通过计算机1来控 制。通过调节反射镜36和反射镜41的偏转来控制测量所用1064nm、355nm激光以及He-Ne 激光入射在待测样品28的同一位置。图2中箭头实线均为激光实际传播的路线。所述的 基模(TEMotl)Nd: YAG激光器26、He-Ne激光器7、CXD在线判断装置14和二维平台27均与 计算机1通过串口通信连接，通过计算机的软件程序对其进行相应操作。该实施例测试待测样品28为355nm分离光学薄膜，该待测样品采用电子束蒸发 方法镀制，采用材料分别为高折射率材料HfO2和低折射率材料Si02。该待测样品可实现在 1064nm和532nm入射下有高透射率，355nm入射下有高反射率，用于分离355nm激光。测量过程下面具体描述该装置的实际使用过程，首先把待测样品28放置在二维待测样品 台27上。然后通过计算机1控制1064nm光路第一能量衰减器8的波片的旋转角度来控制 基频激光输出能量，选取基频能量密度为6. 0J/Cm2(低于基频激光单独作用下损伤阈值)。 对于355nm激光，则完全参照ISOl 1254-1标准进行测量。按照ISOl 1254-1中1-0N-1的测 试标准，即每测量一个点换一个位置，并利用CCD在线判断装置14进行在线损伤判别。设 薄膜在某一能量密度E下的损伤点个数为S，一般测量10个点，得到损伤发生的概率为P， 随后改变其能量密度E1, E2...，重新得到相应的损伤概率P1, P2...，对所得损伤概率和能量 密度数据点直线拟和可以得到损伤阈值Φ。如选取能量密度7. OJ/Cm2的355nm激光，加入 1064nm激光6. OJ/Cm2后，在待测样品上测量10个点，CXD在线判断装置14进行在线损伤 判别发现有破坏斑的个数为9个，则1064nm激光6. OJ/Cm2和7. OJ/Cm2的355nm激光同时 作用损伤发生概率为90%。按照上述方法进行测量，本次测量所得损伤概率数据即为两个波长激光同时辐照 下的损伤概率数据，其中基频激光能量密度为固定值6. OJ/Cm2(选取固定能量密度应小于 基频激光单独测量样品损伤阈值)，此后可改变基频激光能量密度来得到不同基频激光能 量密度组合两个波长激光同时辐照损伤阈值。对于上述待测样品进行测量所得的1064nm 和355nm两个波长激光同时辐照下损伤概率数据如图3所示，对该数据进行直线拟合结果 为加入1064nm激光能量密度6. OJ/Cm2后，1064nm和355nm两个波长同时辐照薄膜损伤阈 值。同时图3也给出了该待测样品在355nm激光单独作用下的损伤数据。
下面采用阈值差比较法来描述各个波长激光的贡献，本发明给出以下标准来评价 双波长激光辐照薄膜时，其中一个波长对薄膜损伤的贡献，仍然以上文所述的基频1064nm 激光和355nm激光为例
* C- ~, g3 b; V# a. e! [Formula See Original Document Page 8上文中Rltl64表示基频(1064nm)激光在损伤中的贡献，Φ 355+1(164表示按照上述测试 方法得到得双波长激光同时辐照待测样品的损伤阈值，E1064是上文中提到的所用的基频激 光能量密度，Φ 355是根据IS011254-1标准测量得到的355nm激光单独辐照相同待测样品 损伤阈值。上述损伤阈值差值与加入的基频能量密度比较的方法我们称之为阈值差比较 法，损伤阈值差值代表着与355nm激光单独辐照相比，加入基频激光后其损伤阈值下降的 程度。该损伤阈值差值与所加入的基频激光能量密度比值能够有效的反应出双波长测量中 基频激光的贡献。反过来如果选取355nm激光能量密度为一定值，进行上述方法测量类似 可得到双波长测量中355nm激光贡献。测量结果按图3所示的数据进行直线拟合，得到双波长激光同时辐照待测样品损伤阈值为 3. Lj/Cm2，三倍频激光单独辐照待测样品损伤阈值为6. 9J/Cm2。通过上述阈值差比较法计 算，得到能量密度6. OJ/Cm2的基频激光在双波长同时辐照下的贡献为Rltl64 = 0. 63。如果变 换不同的基频能量密度Φ1(Ι64值进行测量和计算，可得不同基频能量密度在双波长激光同 时辐照下的贡献因子。
$ I$ z1 V% x- @( D! _7 m权利要求
$ K! x8 H; n7 E# }6 o一种双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装置，包括输出波长为Λ1的第一激光器(2)和输出波长为Λ2的第二激光器(3)，用于准直光路和协助监测光学薄膜损伤破坏的第三激光器(7)，一个位于移动平台(27)上的待测样品(28)，特征在于其构成是在所述的第一激光器(2)输出的第一激光路(4)上依次设置第一能量衰减器(8)、第一分光镜(20)和第一透镜(12)，波长为Λ1的激光辐照在所述的待测样品(28)上，在所述的第一分光镜(20)的反射光路上设置第一能量计(10)，用以测量波长为Λ1的激光能量；在所述的第二激光器(3)输出的第二激光路(5)上依次设置光路延时器(6)、第二能量衰减器(9)、第二分光镜(21)和第二透镜(13)，波长为Λ2的激光辐照在所述的待测样品(28)上，在所述的第二分光镜(21)的反射光路上设置第二能量计(11)，用以测量波长为Λ2的激光能量；在所述的待测样品(28)的表面空间设置CCD在线判断装置(14)，所述的第一激光器(2)、第二激光器(3)、第三激光器(7)、CCD在线判断装置(14)和移动平台(27)通过通信线与计算机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装置，其特征 在于所述的第一透镜(12)和第二透镜(13)都具有沿光轴方向的移动调节机构。
3.根据权利要求1所述的双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装置，其特征 在于所述的光路延时器(6)由依次设置的第一反射镜(15)、第二反射镜(16)、第三反射镜 (17)、第四反射镜(18)形成的U形折叠光路构成。
4.根据权利要求1所述的双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装置，其特征 在于所述的能量衰减器由可旋转的半波片和一个偏振片组成。
5.根据权利要求1所述的双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装置，其特征 在于所述的第一激光路和第二激光路还设置有适当的数量的反射镜，使所述的第一激光 路和第二激光路的光程基本相等。
6.利用权利要求1所述的双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值的测量装置进行双 波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值测量的方法，其特征在于包括下列步骤①调整光路调整所述的光路延时器(6)，同时移动所述的第二反射镜(16)和第三反 射镜(17)的位置，使第一激光路和第二激光路的光程相等，即在所述的计算机(1)的控制 下，使、激光和入2激光同时辐照在所述的待测样品(7)上；②通过所述的第一透镜(12)和第二透镜(13)的移动调节机构，调整所述的第一透镜 (12)和第二透镜(13)的位置，使所述的、激光和A 2激光辐照在所述的待测样品(28)上 的光斑大小相同；③进行单波长激光辐照光学薄膜损伤阈值测量启动计算机(1)并控制所述的第二激 光器(3)、移动平台(27)、第二能量计(11)和CCD在线判断装置(14)，实施单个波长、激 光，按国际标准IS011254-1测量、激光单独辐照下待测样品(28)的损伤阈值①A2;④进行双波长激光辐照光学薄膜损伤阈值测量同时启动计算机(1)并控制第一激 光器(2)、第二激光器(3)、第三激光器(7)、移动平台(27)、第一能量计(10)、第二能量计 (11)和CCD在线判断装置(14)，选取波长、激光能量密度为固定值，该激光能量密度应 小于波长、激光单独测量的损伤阈值，施加波长、激光同时辐照待测样品(28)，按照国 际标准IS011254-1进行测量，通过所述的(XD在线判断装置(14)即时判断待测样品(28)的薄膜在某一能量密度E下的损伤点个数S，一般测量10个点，则得到损伤发生的概率为P =S/10,随后改变其能量密度为Ei，E2...，重新得到相应的损伤概率P” P2...，在E-P平面 坐标中，绘制数据点，采取直线拟合，该直线与能量密度坐标轴的交点就是损伤阈值值①， 即波长、！激光固定能量密度下的双波长激光同时辐照的损伤阈值；⑤改变波长、激光能量密度，重复步骤④得到波长、激光不同能量密度下，双波长 激光、和、同时辐照下的损伤阈值①A1+A2 ；⑥采用阈值差比较法来判定不同波长激光在光学薄膜损伤中的贡献，即、激光和入2 激光双波长同时作用下的损伤阈值。A1+A2与单个波长、激光作用的损伤阈值①A2差值与加入的单个波长的能量密度EA1进行比值的方法，即=，来评价和判定某一波长\ ！激光在双波长同时辐照光学薄膜损伤中的贡献RA1。
6 G6 H3 n4 ?5 X5 ^$ u# A9 L0 f& J全文摘要
一种双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值测量装置和方法，测量装置采取两组不同的光路，分别对不同波长的激光进行能量和光斑大小进行控制，并且通过光路延迟方法来保证双波长激光到达待测样品表面的时间一致性。通过固定选取某一波长Λ1激光能量密度的方法来测量Λ1和Λ2双波长激光同时作用待测样品的损伤阈值，同时采用阈值差比较法来判定不同波长激光在光学薄膜损伤中的贡献。本发明可以得到双波长激光同时辐照光学薄膜损伤阈值，并且可以对某一波长激光在损伤中的贡献做出评价。
( m$ _) n" N( c, K; I文档编号G02B7/02GK101806657SQ201010126608
7 |9 L! x1 l% v0 Z4 j公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者周明, 李大伟, 范正修, 赵元安, 邵建达 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
X技术网 原文链接:http://www.xjishu.com/zhuanli/20/201010126608.html