毫秒激光致光学薄膜损伤阈值的测试与分析.pdf

2011 年 第 25卷 第 2期测试技术学报Vol.25?No.2?2011(总第 86 期)JOURNAL OFTEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY(Sum No.86)文章编号:1671?7449(2011)02?0122?06毫秒激光致光学薄膜损伤阈值的测试与分析?戴?罡,陆?建,刘?剑,秦?渊,倪晓武(南京理工大学 理学院,江苏 南京 210094)摘?要:?根据 ISO?11254 分别测量了脉宽 1 ms,波长 1 064 nm 激光作用下 TiO2?SiO2高反膜、增透膜的损伤阈值,结合高分辨率 CCD 和光学显微镜观测了损伤形貌,分析了毫秒量级激光损伤光学薄膜的损伤机理.结果表明:脉宽 1 ms 激光作用下 T iO2?SiO2增透膜的损伤阈值为高反膜的 2.4 倍,损伤区域为若干分离的损伤点,认为损伤是由膜层中含有的缺陷或杂质引起的.读数显微镜的结果显示,长脉冲激光作用下薄膜元件的损伤厚度为(180?5)?m.研究结果可供脉宽为 ms 量级的激光与光学薄膜相互作用的基础研究提供参考.关键词:?毫秒激光;激光损伤;损伤阈值;损伤机理中图分类号:?T N244?文献标识码:A?doi:10.3969?j.issn.1671?7449.2011.02.006The Measurement and Analysis of Millisecond Laser Induced Damageof Two kinds of Classical Coating ComponentsDAI Gang,LU Jian,LIU Jian,QIN Yuan,NI Xiaowu(College of Science,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)Abstract:?Laser induced damage thresholds of T iO2?SiO2high reflector and anti?reflector with pulse duration1ms,wavelength 1064 nm are investigated according to ISO?11254.The damage morphologies are recordedby CCD with high resolution.The mechanisms of 1 ms laser induced damage of optical component are dis?cussed.Laser induced damage threshold of anti?reflector is 2.4 times of high reflector,and the isolated dam?ages on coatings show that the damages are induced by impurities or the defects in coatings.The damagedepth of optical component is180?5?m by using reading microscope.T hese research results in the paper willprovide help for the basic research of long pulse laser interaction with optical coatings.Key words:millisecond laser;laser damage;damage threshold;damage mechanism目前,激光技术朝着两个不同方向发展:高峰值功率密度的短脉冲、超短脉冲激光和大能量的长脉冲激光.其中长脉冲激光和短脉冲(ns)、超短脉冲激光(ps 或 fs)相比在空气中传播时效率更高.只是因为 ps 和 fs 激光具有很高的峰值功率密度,因而在空气中传输时易产生光学击穿 1,2和自聚焦现象 3,而长脉冲激光对应的功率密度远小于 108W?cm2,在空气传输的过程中吸收较小,且不会使空气产生电离击穿,也不会发生自聚焦现象,因而传输损耗远小于短脉冲激光.其次,在与材料相互作用过程中,短脉冲激光能够使物体表面的温度瞬时上升到 5?103K 以上,形成高温高密度的等离子体将屏蔽后续激光.而较低功率密度的长脉冲激光作用在物体上时几乎不形成的等离子体,后续激光几乎不受影响地作用在靶材上,因而长脉冲激光的能量耦合效率高于短脉冲激光.最后,就单脉冲能量而言,长脉冲激光要比?收稿日期:2010?09?29?作者简介:戴?罡(1984?),男,博士生,主要从事长脉冲激光与光学薄膜相互作用的研究.短脉冲激光高数个量级,破坏效果更佳.Boley 4等人研究了脉宽为 0.5 ms,单脉冲能量 125 J,重复频率200 Hz 的激光作用在航空铝材上的效果,指出当靶材表面有强气流吹过时,航空铝材更容易被击穿.Usov 5等人等给出了脉宽 1 20 ms,单脉冲能量 20 40J,重复频率 1 20 Hz 激光打孔,深熔焊和切割时的最有效参数.Diener 6等人研究了脉宽为 3 ms、功率 2 000 W 的脉冲激光对红外 Ge 透镜的损伤,测量了损伤阈值并分析了损伤机理.另一方面,光学薄膜元件是光学系统中较为薄弱的环节,光学薄膜的损伤能够对光学系统造成严重的破坏.而激光引起的光学薄膜元件的损伤问题已经被持续地研究了很多年,特别是短脉冲激光损伤光学薄膜的研究已经有了大量的报道 7?9.关于长脉冲激光损伤光学薄膜的损伤阈值与损伤机理的研究报道并不多见,因此有必要对长脉冲激光作用下光学薄膜的损伤阈值进行测试,进而分析损伤机理.本文利用物理气相沉积法制备高反膜和增透膜,测量了长脉冲激光作用下高反膜和增透膜光的损伤阈值,结合光学显微镜和高分辨率 CCD 对其损伤形貌进行观测,进而分析了损伤机理.1?激光损伤光学薄膜的实验研究1.1?膜层制备为了分析脉宽为 1 ms 左右的激光作用下典型光学薄膜损伤差异,针对非激光系统中使用,且无抗激光损伤设计的普通光学系统中使用的高反膜和增透膜进行研究.TiO2?SiO2高反膜和增透膜均是由物理气相沉积法制备,基底材料为 K9 玻璃,抛光光圈数 N=3,局部误差?N=0.5,?3 min?arc,光洁度 B?级.膜层的高低折射率材料分别为 H?TiO2和 L?SiO2,增透膜和高反膜的膜系分别为 Glass|0.452 6H1.249 7L|Air 和 Glass|(HL)12H|Air,其中 H(L)前面的数值表示膜层实际厚度与 1?4 光学厚度 H(L)之间的倍数.镀膜时的基底温度控制在 250?,氧分压为 2?10-2Pa,TiO2和 SiO2的镀制速率分别为 1.2 nm?s和 0.2 nm?s.高反膜的透过率曲线与增透膜的反射率曲线如图 1 所示,高反膜在波长 1 064 nm 处的透过率小于0.2%,增透膜在波长 1 064 nm 处的反射率小于 0.3%.图 1?高反膜的透过率曲线与增透膜的反射率曲线Fig.1?T ransmittance of high reflector and reflectance of anti?reflector1.2?损伤阈值测试装置与方法损伤测试装置按照 ISO?11254 国际标准和国家标准 GB?T?16601 建立.实验测试光路装置示意图如图 2 所示.其中长脉冲激光器为 Beamtech optronics 公司生产,型号为 Melar?50,输出脉宽从 0.52.5 ms 可调,重复频率 1 Hz,单脉冲激光输出能量为 0.5 50J 可调,激光光束的发散角小于 3 mrad,光斑直径为 18 mm.图 2 中可调光阑用以抑制出射激光光斑边缘的光束,以提高作用光束的空间均匀性.He?Ne 激光器用于光路瞄准,能量计实时检测作用激光的脉冲能量,光学薄膜固定在三维精密位移123(总第 86 期)?毫秒激光致光学薄膜损伤阈值的测试与分析(戴?罡等)平台上.实验中使用国际标准和国家标准中规定的 1?on?1 法测试激光损伤阈值:初步确定膜层的零损伤能量密度以及 100%损伤的能量密度,然后将两个能量密度之间区间划分为均匀的 10 个能量台阶,并记录损伤概率;用同一能量的单脉冲辐照薄膜上 10 个不同部位的点,每个点辐照一次,记下 10 个点中损伤的次数 n,得出这个能量下的损伤几率为 n?10;改变能量,测出不同激光能量下的损伤几率;测量多个能量点的损伤几率,包含损伤几率为零和损伤几率为 100%的能量点.然后以激光能量为横轴,以损伤几率为纵轴,得出损伤几率与激光能量点的分布,再用直线拟合并外推到零损伤几率,所对应的激光能量密度值即为损伤阈值.图 2?实验装置示意图Fig.2?Sketch map of the experimental installation2?实验结果2.1?损伤阈值首先测量了高反膜的损伤阈值,根据刀口法测 得激光在光学薄膜上的光斑直径为(1.71?0.05)mm,使用光电二极管测得激光的脉宽为(990?5)?s.实验测得到零损伤能量密度为 280J?cm2,100%损伤的能量密度为 310 J?cm2,将该区间化为 10 份,能量密度台阶的值为 3 J?cm2,长脉冲激光作用下 T iO2?SiO2高反膜的损伤概率如图 3 所示,当能量密度为 288 J?cm2时高反膜开始出现损伤;当能量密度超过 304 J?cm2时,高反膜的损伤概率为 100%.经过外推得到的高反膜的损伤阈值为(283?3)J?cm2.经过测量,得到增透膜零损伤能量密度为 670 J?cm2,100%损伤的能量密度为 720 J?cm2,将该区间化为 10 份,能量密度台阶的值为 5 J?cm2.长脉冲激光作用下增透膜的损伤概率如图 4 所示,当能量密度为 680 J?cm2时高反膜开始出现损伤;当能量密度超过 710 J?cm2时,高反膜的损伤概率为 100%.经过外推得到的高反膜的损伤阈值为(674?5)J?cm2.图 3?高反膜的损伤阈值Fig.3?Damage probability of high reflector图 4?增透膜的损伤阈值Fig.4?Damage probability of anti?reflector124测试技术学报?2011年第 2期2.2?损伤形貌结合光学显微镜和高分辨率 CCD 观察损伤膜层的损伤区域.长脉冲激光作用下高反膜的损伤形貌如图 5 所示.图 5(a)为能量密度 320 J?cm2时的损伤形貌,此时作用激光的能量密度比损伤阈值高出了15%,损伤区域的大小接近损伤光斑的大小,在激光辐照区域出现大量分离的损伤斑点,同时大量的损伤斑点连成一片.认为这是由于激光能量分布在空间的不均匀性以及膜层中含有缺陷或杂质共同造成的.图 5(b)为能量密度 680 J?cm2时的损伤形貌,可见激光辐照区域的膜层均被损伤,损伤区出现大量的裂纹,且损伤面积要远大于激光照射膜层表面的光斑面积.较大能量密度的长脉冲激光作用下,光学薄膜基底上的膜层已经全部消失,裸露的基底布满大量裂纹,可以认为这是由于 K9 玻璃熔融后在冷却过程中形成的.图 5?高反膜的损伤形貌Fig.5?Damage morphologies of high reflector长脉冲激光作用下 TiO2?SiO2增透膜的损伤形貌如图 6 所示.图 6(a)为能量密度 740 J?cm2激光作用下的损伤形貌,此时作用激光的能量密度比损伤阈值高出 10%,激光辐照区域出现了一个直径200?m 的损伤斑,而此时的光斑直径为 1 700?m,这就意味着损伤区域可能存在杂质或缺陷,从而使得该区域的膜层先于其它激光辐照区域而损伤;图 6(b)为能量密度 780 J?cm2激光作用下的损伤形貌,此时作用激光的能量密度比损伤阈值高 15%,激光辐照区域出现了三个相互分离的损伤斑,其直径分别为160?m,250?m 以及一个椭圆形的损伤斑,分离的损伤点进一步证实了损伤是由膜层中存在的缺陷或是杂质引起的.当作用激光能量密度相对低时,较大的缺陷首先使得膜层损伤,随着作用激光能量密度的增加,较小的缺陷使得更多的激光辐照区域的膜层损伤.图 6?增透膜的损伤形貌Fig.6?Damage morphologies of anti?reflector125(总第 86 期)?毫秒激光致光学薄膜损伤阈值的测试与分析(戴?罡等)2.3?损伤深度测量由以上给出的损伤形貌可知,在长脉冲激光作用下薄膜元件不但膜层被损伤,而且膜层的基底同时图 7?增透膜正面及侧面的显微图Fig.7?Damage morphologies of anti?reflector被损伤.短脉冲激光作用下的损伤深度一般为 102nm 量级 10,而长脉冲激光作用下的损伤深度尚不清楚.镀膜前对光学薄膜的基底侧面也做了抛光处理,通过读数显微镜可以得到长脉冲激光作用下膜层的损伤深度.实验时将膜层的边缘对准激光光斑中心,使用能量密度 310 J?cm2激光辐照增透膜,其正面和侧面的损伤形貌如图 7 所示.图 7(a)为正面的损伤形貌,激光辐照区域内的膜层大部分都被损伤,且只要是膜层损伤的区域,基底均被损伤.图 7(b)为侧面的显微照片,由读数显微镜可以得到膜层及基底的损伤厚度为(180?5)?m.3?分析和讨论将前面给出的高反膜和增透膜的损伤阈值以及损伤形貌,膜层的结构、厚度以及损伤阈值列入表 1.由表 1 可知,高反膜膜层总厚度为增透膜的 13 倍,T iO2膜的厚度为 29 倍,SiO2膜的厚度为 9.6 倍.在镀膜工艺、镀膜材料、镀膜环境以及测试条件均相同的情况下,TiO2?SiO2高反膜和增透膜的损伤阈值表现出较大的差异,增透膜的损伤阈值约为高反膜损伤阈值的 2.4 倍.表 1?膜层的结构、厚度及损伤阈值Tab.1?The structure,thickness and the damage threshold the coatings薄膜结构SiO2的总厚度?nmTiO2的总厚度?nm损伤阈值?(J?cm2)Glass|(HL)12H|Air2 178.81 533.5283?3Glass|0.452 6H1.249 7L|Air226.953.4674?5?高反膜和增透膜在损伤阈值附近的损伤均为一些分离的损伤斑,可以认为在长脉冲激光作用下,光学薄膜的损伤是由膜层中杂质或者缺陷的吸收引起的.在镀膜条件相同的情况下,膜层单位体积所含有的缺陷或者是杂质的数量是相同的.当激光辐照光斑直径相同时,膜层中杂质和缺陷的密度与膜层的厚度有关,膜层越厚,膜层中所含缺陷的数量越多.在膜层中杂质和缺陷的密度相同时,由于增透膜膜层的总厚度仅为 280.3 nm,膜层内含有缺陷的数量要远小于高反膜,因而增透膜的损伤阈值要高于高反膜.另一方面,在 1 064 nm 激光辐照时,增透膜中的电场强度并无显著增强,而在高反膜中,由于驻波场 11的存在,使得膜层中电场局部增强.当缺陷或杂质出现在电场增强的区域时,膜层的损伤阈值会大大地降低,因为高反膜的损伤阈值要小于增透膜的损伤阈值.当能量密度超过损伤阈值 15%时,激光辐照区的高反膜出现大量分离的损伤斑,而增透膜上仅仅出现了若干个分离的较小的损伤斑,这进一步说明了膜层越薄,膜层内含有缺陷的几率越小.利用读数显微镜观测膜层侧面可知,长脉冲激光作用下薄膜元件的损伤深度为(180?5)?m.长脉冲激光对光学薄膜元件的损伤不仅包括对膜层的损伤,还包括基底材料的损伤.当损伤出现时,高反膜和增透膜的基底均被熔融,且在损伤的基底上均可以观察到大量的裂纹,认为这些裂纹是基底玻璃在冷却的过程中形成的.126测试技术学报?2011年第 2期4?结?论针对长脉冲激光致使增透膜和高反膜的损伤问题,根据 ISO?11254 测量了损伤阈值,并根据损伤形貌分析了机理.通过比对膜层的厚度,进而分析造成增透膜与高反膜损伤阈值之间存在差异的原因.经过分析得出以下结论:1)脉宽 1 ms,波长 1 064 nm 激光作用下,增透膜和高反膜的损伤阈值分别为(283?3)J?cm2和(674?5)J?cm2,增透膜的损伤阈值为高反膜的 2.4 倍.2)长脉冲激光作用下,光学薄膜的损伤均为分离的损伤点,说明损伤为膜层中含有的缺陷或杂质引起的.3)增透膜的损伤阈值高于高反膜损伤阈值的原因主要有:?高反膜的膜层厚度为增透膜的 13倍,单位面积内所含缺陷的数量均远高于增透膜.?高反膜的膜系结构使得膜层中局部电场增强,当缺陷出现在电场增强的区域时,膜层的损伤阈值会大大地降低.?本文的研究结果将对脉宽为 ms 量级的激光与光学薄膜相互作用的基础研究提供参考.参考文献:1?Sircar A,DwivediR K,Thareja R K.Laser induced breakdown of Ar,N2and O2gases using 1.064,0.532,0.355 and 0.266?m radiation J.Appl Phys B.1996,63(6):623?627.2?Sprangle P,Penano J R,Hafiz B.Propagation of intense short laser pulses in the atmosphere J.Phys Rev E,2002,66(4):046418.3?St?phanie Champeaux,Luc Berg?.Postionization regimes of femtosecond laser pulses self?channeling in air J.Phys RevE.2005,71(4):046604.4?Boley C,Cutter K P,Fochs S W,et al.Interaction of a high?power laser beam with metal sheets J.Journal of AppliedPhysics,2010,107(4):043106.5?Usov S,Minaev I.High?power impulse YAG laser system for cutting,welding and perforating of super hard materials J.Journal of Materials Processing 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