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Layertec飞秒激光镜片损伤阈值的测量方法

作者:admin  时间:2020-8-8 11:39:35

连续波激光器和纳秒激光器的损伤主要源至于热效应, 如激增的吸收率,可能是由于涂层材料本身的吸收作用,也可能是由于缺陷的吸收作用,或者是膜层的弱热导性和低熔点的性质。高功率涂层要求控制涂层材料的内在性能和减少层中的缺陷。皮秒和飞秒激光光学中的激光损伤主要是由场强效应引起的。因此,这些激光器的高功率涂层需要具有承载宽波带应用性能的材料和非常特殊的膜层设计。

激光损伤阈值(Laser-Induced Damage ThresholdLIDT),是要根据标准ISO11254-1cw-LIDT1 on 1-LIDT,即单脉冲LIDT)ISO11254-2 (S on 1,即多个脉冲LIDT)ISO11254-3(一定数量的脉冲LIDT)的标准且需要非常稳定的激光系统条件下来确定的,且还需要精确的光束诊断以及在线和离线损伤检测系统。这就是为什么有限的测量系统只有几种类型的激光器可用(例如波长在1064nm的汉诺威激光(Laser Zentrum Hannover))。对于一些最显著的激光波长,例如氩离子激光器(488nm514nm),没有可用的测量系统,也无法提供有认证的损伤阈值数据。

对于1-on-1 LIDT(即对样品的一个部位发射一次脉冲),不能代表正常运行情况。然而这些值可以用于比较不同的涂层和优化程序。1-on-1的值与更实际的S-on-1飞秒镜片损伤阈值直接相关(激光损伤阈值对于样品的同一位置上给定的脉冲数S),它们可以解释为损伤阈值的上限。高频率(kHz)的激光系统需要用飞秒激光损伤阈值来表示高脉冲数的寿命测试。


Layertec测量镜片损伤阈值的装置

Layertec已经开发了自己的用于内部测量的损伤阈值测量装置,目的是优化膜层对激光损伤的稳定性,它的光源为可发射波长分别为1064532355266nm的调qNd:YAG激光器,脉冲持续时间约为4-10ns,在所有四种可能波长下的重复频率为10Hz。用透镜对激光束进行聚焦,产生近似高斯的光束轮廓,光斑的大小200μm1000μm(1/e2半径),但是实际的值要取决于波长和透镜的焦距,而这个设置是满足ISO11254要求的。它有一个基于数码相机的在线检测系统,具有快速的图像处理的能力,能检测每一个激光脉冲后的样品损伤。在线光束轮廓测量和能量密度测量方面,是通过CCD相机光束轮廓仪和单脉冲分辨率的校准能量测量头进行的。该系统还有一个电动三轴级和一个多件样品夹,用于自动测量入射角度在0°-60°范围内的反射或传输样品。在波片和宽带偏振器的帮助下,激光器的线偏振可以定向为p偏振或s偏振。测量装置如下图所示。


如果没有明确要求的情况下,由于ISO标准提供的损害阈值在30J/cm2以上不可靠,Layertec会使用自己的程序测试样本。如果使用ISO11254-2进行测量,将在每个测量位置使用1001000个脉冲,以最小化测量时间。虽然这不是稳定可靠的检测,但是与1-on-1 LIDT结果相比,1001000脉冲的损伤阈值结果更真实。

内部镜片损伤阈值测量主要是为了比较涂层和技术的发展,Layertec可根据要求提供损伤阈值结果,但请注意这些结果仅适用于特定的测量条件(脉冲持续时间、波长、脉冲数、光束形状、频率)  


激光脉冲源的Layertec损伤阈值测试程序

Layertec在使用根据 ISO 11254激光损伤测试程序方面已有丰富经验。然而这些测试既耗费成本又耗费时间,而且通常只得到了有问题的结果。在许多情况下,可以观察到明显较低的损伤阈值和强扭曲的损伤概率分布。测量设置没有显示任何问题,只留下其他原因来解释测量错误。

为了解决上述问题,Layertec使用相对较大的高斯型激光光斑来测量损伤阈值。典型的光斑大小约为1mm(1/e2直径)。大的光斑尺寸需要高的激光能量和峰值功率,以达到在测试现场造成破坏所需的效果。损伤阈值高于50J/cm2的涂层需要几百毫焦耳的激光脉冲能量来显示损伤。在这种情况下,会产生大量的碎片,并在受损位置周围直径几毫米的圆圈内沉积下来。如果邻近的试验点位于该区域内,则其损伤阈值会由于碎片而显著降低。这种系统误差可以通过在提供足够的测试点和选择更大的测量位置间隔来避免。当损伤阈值超过100J/cm2时,相邻位置之间的间隔需要超过10mm

ISO标准假设损伤概率是对称分布的。Layertec只在平均损伤阈值低于30J/cm2时假设损伤概率是对称分布的。当平均损伤值大于30J/cm2时,阈值概率分布明显向较低的值偏移。假设可以忽略碎片的影响,产生这种现象的主要原因是涂层本身的缺陷,也有可能是本身的表面质量。与ISO标准相反,明显较低的阈值不应被视为统计异常值,严格地说,它们必须被考虑进去,否则损伤阈值测量将提供错误的值。

如上所述,基于ISO标准的损伤阈值测试不适用于高损伤阈值的涂层。Layertec开发了一种损伤阈值测量方法,非常适合测量高功率或高能激光应用中光学涂层的最小损伤阈值。这个程序需要4-7个测试位置点,每个测试位置点之间的距离约为10mm。在符合条件的情况下,四个相同的直径为25mm的样品在每个测试过程中得到16-28个测量位置。测试激光的能量范围被细分为50个能级,每个位置都以逐步增加的能量密度辐照。在大多数情况下,每个能级应用100个激光脉冲,以观察膜层的累积效应。启动能量必须足够低,以防止激光引起的损伤,随后能量增加,直到激光在测试位置发生诱导损伤。

样品上的所有位置都以这种方式照射,直到每个位置显示损坏。为了测量分析的目的,得到了最高、平均和最低的测量损伤阈值。损伤阈值测量过程示例如下图所示。

综上所述,Layertec公司所自主研发的飞秒激光镜片损伤阈值测量程序比ISO标准所提供的测量方法有如下的优势:

1)     Layertec公司自主研发的飞秒激光镜片损伤阈值测量程序比ISO标准所提供的测量方法有更多适用的波长,且激光要求不会过于严格。

2)     Layertec公司自主研发的飞秒激光镜片损伤阈值测量程序比ISO标准所提供的测量方法更加接近实际情况,更加准确。

3)     Layertec公司自主研发的飞秒激光镜片损伤阈值测量程序从多脉冲多点测量的特点,相比之下更加稳定,可靠性比ISO 1-on-1 LIDT方法更好。

有时客户也会需要其他的激光测量系统,但是为了避免镜片使用寿命果断和测试数据不准确,我们还是会推荐客户使用Layertec光学。Layertec支持在客户的工厂进行这样的测试,并对测试样品给予相当大的折扣。

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