激光損傷閾值測試與相關(guān)設(shè)備

激光損傷閾值檢測的英文名稱是Laser-Induced Damage Threshold(LIDT)，損傷閾值是高等級(jí)光學(xué)器件的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，常見的標(biāo)注方式是連續(xù)激光輻射下的損傷閾值單位W/cm2，以及脈沖激光輻射下的損傷閾值單位J/cm2。

以激光損傷的簡單原因來看：

對(duì)于連續(xù)波激光輻射誘導(dǎo)的激光損傷，一般是激光誘導(dǎo)的熱累積在光學(xué)基片內(nèi)部，或者在表面鍍膜，在光學(xué)鏡片間的膠結(jié)劑層等等，當(dāng)熱累積到一定程度且來不及傳導(dǎo)出去時(shí)會(huì)發(fā)生的損傷。

而脈沖激光輻射誘導(dǎo)的激光損傷，相對(duì)而言就會(huì)復(fù)雜一些，對(duì)于納秒或更短的短脈沖激光，多數(shù)是由于高峰值功率脈沖激光的電離擊穿效應(yīng)；而毫秒以上的長脈沖和連續(xù)波激光類似，多數(shù)是基于熱累積效應(yīng)造成的損傷，當(dāng)然還有很多情況是擊穿效應(yīng)和熱累積效應(yīng)混合造成的損傷，而脈沖激光的脈寬，波長，能量，重復(fù)頻率，橫模的模式都是影響到激光損傷的參數(shù)。

我司代理的法國Quantel公司（隸屬于Lumibird公司）很早以前就建立了激光損傷閾值檢測實(shí)驗(yàn)室并承接商業(yè)化的激光損傷閾值測試服務(wù)。當(dāng)然，客戶也可以利用我們提供的設(shè)備，自己組建激光損傷閾值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

測試采樣方法上常見的有：

• 1-on-1測試：即每個(gè)測試點(diǎn)只受到一次激光照射，以確定損傷閾值。這是一種常用的激光損傷閾值測試方法。
• S-on-1測試：S-on-1模式就是在單個(gè)位點(diǎn)上輻照多個(gè)脈沖，然后獲得損傷的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，
• R-on-1模式：則是對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行漸進(jìn)式提升能量測試直至發(fā)生損傷。

一般來說，往往需要進(jìn)行損傷閾值檢測的光學(xué)樣片其本身的價(jià)值已經(jīng)較高，也意味著其表面加工面形，透過率或反射率等等通常已經(jīng)做到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，那么我們用高功率或高能量的激光輻射樣片后，所造成的損傷將可能很難被肉眼或常規(guī)成像系統(tǒng)所觀測鑒別到。

那么用顯微鏡放大觀察呢？哪怕我們采用顯微鏡放大觀察被擊打后的點(diǎn)位，由于反差小，一般也很難鑒別到損傷點(diǎn)。此時(shí)一個(gè)重要的方法是提升觀測對(duì)比度。也就是說往往常規(guī)明場照明的顯微鏡無法完成激光損傷點(diǎn)鑒別，而采用DF暗場顯微鏡（Dark Field Microscope)乃至DIC微分干涉差顯微鏡(Differential Interference Contrast Microscope)則可以明顯的提升對(duì)比度，將損傷點(diǎn)清晰有效的判別出來。以上顯微鏡均有通用型商品或組件可供集成。

還有一種有效的損傷點(diǎn)鑒別手段是利用低功率激光（一般選HeNe激光）照射被測點(diǎn)，即使被測點(diǎn)僅存在很小的損傷，此被測點(diǎn)對(duì)于上述探測激光的散射強(qiáng)度相對(duì)于未損傷點(diǎn)也會(huì)發(fā)生明顯的變化，當(dāng)我們?cè)O(shè)置好光路檢測這個(gè)明顯變化的散射信號(hào)則可以有效的鑒別損傷。

以上是商業(yè)公司標(biāo)準(zhǔn)的測試手段。以下還有一些拓展的測試方式：

光柵掃描測試：我們知道，為了達(dá)到較高的功率密度或能量密度，用于檢測損傷閾值的激光打到待測樣品的光束尺寸是較小的，也就是一次激光擊打僅僅是對(duì)于一個(gè)微區(qū)進(jìn)行檢測，而對(duì)于高等級(jí)的光學(xué)器件，往往需要對(duì)樣片的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行全面覆蓋測試，此時(shí)就可以采用往復(fù)掃描法，對(duì)每個(gè)位置均進(jìn)行擊打與采樣記錄，后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用和計(jì)算完成對(duì)于樣件上整個(gè)工作區(qū)域的全面評(píng)價(jià)。

泵浦-探測技術(shù)：對(duì)于更高功率或能量的激光應(yīng)用，激光可能對(duì)于樣片產(chǎn)生三維的損傷，也就是說損傷可能深入到樣片內(nèi)部很多。此時(shí)泵浦探測法可以成為一個(gè)有效的檢測手段，簡單來說就是一束高能激光用于擊打樣片產(chǎn)生損傷，而我們可以同時(shí)較小比例的引出另外一路激光，將其倍頻到可見光（一般倍頻到綠光以匹配硅基成像相機(jī)高靈敏度的波段）做為探測光，此時(shí)這一束綠色的探測光就可以作為一個(gè)超高亮度照明光（比普通明場照明亮度高上萬乃至更多），照亮了縱向損傷區(qū)域，便于顯微鏡加相機(jī)拍攝整個(gè)的縱向損傷區(qū)域的圖樣。 進(jìn)一步的，由于探測光也是脈沖光，且和泵浦光是同時(shí)產(chǎn)生的，當(dāng)我們?cè)谔綔y光光路內(nèi)插入光學(xué)延遲線后，可以非常精密的控制探測光相對(duì)于泵浦光的時(shí)間延遲，也就是說我們還可以利用泵浦探測術(shù)精密的拍攝高能激光輻射后某一個(gè)特定時(shí)刻的損傷形態(tài)，當(dāng)我們多次重復(fù)以上不同延遲時(shí)間的泵浦探測實(shí)驗(yàn)后，則可以統(tǒng)計(jì)描繪出樣片縱向區(qū)域各個(gè)時(shí)刻的損傷變化趨勢圖樣。

接下來，我們就用戶自行組建激光損傷閾值測試平臺(tái)可能遇到的一些問題做一些介紹：

用于誘導(dǎo)激光損傷的激光器如何選擇：

對(duì)于連續(xù)波激光而言，相對(duì)容易選擇，只要在需要檢測的波段選擇足夠高功率的激光器即可，比如遠(yuǎn)紅外波段一般選二氧化碳CO2 激光，近紅外波段一般選光纖激光，可見光波段一般選固態(tài)激光，功率上看需要，瓦量級(jí)到幾百瓦量級(jí)都算常見，特殊應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室甚至可以采用千瓦級(jí)激光來自建系統(tǒng)。

圖1.激光光斑尺寸與漏采樣的關(guān)系

這里面需要提及的一點(diǎn)是，如預(yù)算允許，選擇激光功率較高一些一般不會(huì)錯(cuò)。以上圖樣片為例，如果要做到同等的激光功率密度，功率低的激光往往作用到樣片上的光斑尺寸會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高功率的激光（如上圖的三個(gè)并列小光斑作用區(qū)域和三個(gè)并列大光斑作用區(qū)域），如果紅色x點(diǎn)位都是樣片的缺陷點(diǎn)（也就是樣片上損傷閾值低的點(diǎn)位）；很明顯高功率大光斑的激光擊打下，其漏采樣的危險(xiǎn)性會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低功率小光斑的激光。從經(jīng)驗(yàn)上看，有此局部存在低損傷閾值點(diǎn)問題的樣片，其損傷閾值由于漏采樣而產(chǎn)生的損傷閾值測量偏差可能高達(dá)數(shù)倍甚至10倍以上（也就是說低損傷閾值的點(diǎn)位如果出現(xiàn)漏采樣問題的話，損傷閾值測試結(jié)果可能虛標(biāo)10倍或更多）。所以，為了盡量規(guī)避漏采樣問題，建立激光損傷檢測實(shí)驗(yàn)室時(shí)，選用預(yù)算允許范圍內(nèi)較高功率且原始光斑較大的激光可能更為有利。當(dāng)然，為了徹底規(guī)避漏采樣問題，多花時(shí)間采用光柵掃描法可以做到覆蓋全靶面，而此時(shí)高功率大光斑仍然有利，因其可以更短的時(shí)間完成mapping。

這一知識(shí)點(diǎn)對(duì)于脈沖激光損傷閾值測試同樣有效。

下面，我們以法國Quantel(lumibird子公司）的納秒脈沖YAG激光器為例：看看對(duì)于客戶自建LIDT激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測平臺(tái)在納秒脈沖激光器上如何選擇：

以法國Quantel的Qsmart系列中高能量納秒脈沖激光器來看，其共有的特點(diǎn)是：

• 倍頻模塊快速拆裝切換，無需調(diào)校光路
• 自動(dòng)相位匹配
• 操作簡便，容易維護(hù)

從型號(hào)來看，分成Qsmart中等能量系列和Qsmart HE高能量系列，簡單參數(shù)如下：

從選型上看，由于考量脈沖激光損傷閾值測試主要考慮的是激光能量密度，我們先選取幾個(gè)典型型號(hào)列舉一下其各自的能量密度（注：由于所有光斑均為高斯光斑，其能量密度計(jì)算法=（激光能量/光斑面積）*2，運(yùn)算后

從采購預(yù)算上看，最高型號(hào)Qsmart 2300與最低型號(hào)Qsmart 450價(jià)格相差數(shù)倍，而從能量密度上看相差不到一倍。如果初建實(shí)驗(yàn)室，中等能量的Qsmart 850是較常用的激光,而Qsmart 450是最經(jīng)濟(jì)的一款實(shí)驗(yàn)用機(jī)。

而預(yù)算較充裕的話，可以考慮選擇Qsmart 1500或Qsmart 2300，突出的是述高能量和較大光斑共存的優(yōu)勢可更好的規(guī)避漏采樣。

另外，還要說明的是不是說現(xiàn)在計(jì)算的2-4 J/cm2 就是本設(shè)備能量密度的極限，我們可以簡單的利用透鏡聚集，把能量密度再提升數(shù)倍，以適合更多的樣片測試。

采用S-on-1,R-on-1,光柵掃描測試法時(shí)，由于需要很多發(fā)激光脈沖參與，重復(fù)頻率較高的20Hz型號(hào)比較建議采用。

簡單來講，就是在預(yù)算范圍內(nèi)，選擇能量較高，重復(fù)頻率較高的激光比較適合。

激光功率能量計(jì)與激光光束品質(zhì)分析儀的選擇。

我們知道，脈沖激光器的激光能量隨時(shí)有微小變化的，而且其光斑形狀也可能在中長期有漸變。我們可以在光路內(nèi)增加一片不鍍膜的石英光楔，石英光楔起到的作用是透過大多數(shù)激光能量用于損傷測試，而光楔前表面會(huì)反射大約4%-5%的能量到后續(xù)激光能量計(jì)加光斑分析儀組合包。所謂組合包，就是我們可以后續(xù)再加一片光楔，分出剛才4%能量中的96%約等于原始激光3.84%的能量給激光能量探頭，則此能量探頭可即時(shí)監(jiān)測當(dāng)前激光能量值。現(xiàn)在最后還剩下4%*4%=0.16%的能量，我們正好把這些殘余能量輸送進(jìn)激光光束品質(zhì)分析儀，用于即時(shí)監(jiān)測當(dāng)前激光光束的品質(zhì)，所有激光能量一點(diǎn)都沒浪費(fèi)，物盡其用。

在此種架構(gòu)上，推薦以色列Ophir的激光功率能量計(jì)和美國Spiricon的激光光束品質(zhì)分析儀的搭配。

一方面原因是以色列Ophir強(qiáng)項(xiàng)在 激光功率能量測試，美國Spiricon強(qiáng)項(xiàng)在激光光斑品質(zhì)分析儀，在各自領(lǐng)域均處于業(yè)界標(biāo)桿。因其強(qiáng)大的公信度，商家在出具的測試報(bào)告中注明采用以上Ophir/Spiricon廠家的設(shè)備進(jìn)行測試，會(huì)很大的提升激光損傷閾值檢測LIDT的用戶信任度。

另一個(gè)原因是以色列Ophir全資收購美國Spiricon后，可將Ophir的激光功率能量測試數(shù)據(jù)無痕融入到Spiricon的BeamGage軟件中，當(dāng)我們采用前面描述的石英光楔1采樣4%-5%激光后，再利用石英光楔2導(dǎo)引進(jìn)Ophir的功率計(jì)加Spiricon激光光束品質(zhì)分析儀組合。用戶可以在Spiricon的BeamGage激光光束品質(zhì)分析界面直接看到已經(jīng)歸一化計(jì)算好的當(dāng)前激光光斑的所有參數(shù)，諸如激光光束直徑，激光能量，激光能量密度等等，等等。用戶如果采購BeamGage Professional專業(yè)版的話，還有望直接調(diào)用并融合BeamGage的輸出報(bào)告到自己編寫的激光損傷預(yù)置測試與報(bào)告APP內(nèi)，實(shí)現(xiàn)測試軟件與硬件的全融合。

實(shí)驗(yàn)室自建激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測平臺(tái)舉例：

首先分析一個(gè)自組LIDT激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測系統(tǒng)

• 激光器上，如前述根據(jù)預(yù)算選擇功率或能量較高的激光，比如Qsmart 850或者Qsmart 2300
• 接著進(jìn)入一個(gè)shutter激光快門再加偏振式可調(diào)衰減器，在這里可能有客戶有疑問既然Qsmart 系列Nd:YAG激光器本身就有控制器,通過控制閃光燈，Q開關(guān)等時(shí)序控制，同樣也可以控制何時(shí)輸出光脈沖以及輸出多大的能量，為什么還要增加一套偏振式連續(xù)可調(diào)諧激光衰減器以及外置的Shutter激光快門呢。簡單講，對(duì)于所有激光器而言，在額定輸出狀態(tài)時(shí)其系統(tǒng)熱平衡是最佳保持狀態(tài)，此狀態(tài)下激光能量輸出最穩(wěn)定，光斑形態(tài)保持最佳且激光器的壽命最長，我們?cè)诤罄m(xù)光路上增加的偏振式連續(xù)可調(diào)諧激光衰減器以及外置的Shutter激光快門是用來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧激光能量與激發(fā)時(shí)刻功能的同時(shí)，保持激光器額定工作輸出狀態(tài)。
• 偏振控制器和聚焦鏡用于調(diào)整光斑
• 后續(xù)一個(gè)光楔反射4%-5%的激光能量到激光參數(shù)監(jiān)控包里面（綠色框部分），其余能量用于誘導(dǎo)損傷
• 進(jìn)入激光參數(shù)監(jiān)控包（Ophir/Spiricon)包含激光功率能量計(jì)，激光光斑品質(zhì)分析儀和一個(gè)接示波器的快速光電管，可以記錄每一發(fā)激光脈沖的能量，光斑大小，指向穩(wěn)定性，模式穩(wěn)定性，脈沖寬度與脈寬穩(wěn)定性等等）
• 樣品臺(tái)建議基于電移臺(tái)的架構(gòu)以及PCU電移臺(tái)定位掃描控制器
• 配置DF暗場或DIC微分干涉差顯微鏡作為損傷檢測組件加上電腦形成一套自組LIDT激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測系統(tǒng)

這是一套相當(dāng)復(fù)雜的多功能系統(tǒng)，對(duì)于客戶來說，可以采用模塊化搭積木的方式逐步搭建系統(tǒng)，豐富功能。以下我們稍作解析。

首先是燈泵Nd:YAG laser A主激光器，初期可以只采購一臺(tái)0.5J到2J級(jí)別（例如Qsmart 450, QSmart 1500等型號(hào)），10-20Hz燈泵Nd:YAG激光器做為Nd:YAG laser A主光源，配齊二倍頻加三倍頻模塊，則可涵蓋1064nm,532nm,355nm測試波長，視要求再考慮是否繼續(xù)增加266nm四倍頻模塊，213nm五倍頻模塊。 而另外一臺(tái)聯(lián)用的Nd:YAG laser B激光可放在相當(dāng)靠后的計(jì)劃再搭配，加上美國SRS公司DG645 可做兩臺(tái)YAG激光器前后激光脈沖的時(shí)序控制。

繼續(xù)分析Nd:YAG laser A及后續(xù)光路，這就是一套典型的泵浦探測架構(gòu)，Nd:YAG laser A紅色光路輸出的部分指的是1064nm基頻泵浦光，PBS偏振式激光分束器大致是一套基于偏振片的連續(xù)可調(diào)諧激光衰減器，好處是可以在0-100%連續(xù)調(diào)節(jié)激光能量，然后經(jīng)過波片與高反鏡導(dǎo)入光路中的分束器Splitter即是前文所提及的石英光楔，導(dǎo)引少部分激光進(jìn)激光能量計(jì)和激光光束品質(zhì)分析儀組合隨時(shí)監(jiān)測當(dāng)前激光所有關(guān)鍵參數(shù)。

接著進(jìn)入一個(gè)激光快門shutter，保持激光器可以時(shí)刻維持額定工作輸出狀態(tài)。

綠色光路部分是1064nm激光經(jīng)過倍頻形成532nm綠光作為探測光，之所以選用532nm波長是因?yàn)楹罄m(xù)的CCD探測器其量子效率峰值大致在綠光波段。532nm探測光繼續(xù)經(jīng)過一個(gè)偏振分束器，分成兩路正交的偏振光，這兩路正交的偏振探測光是和左下方CCD1+microscope與CCD2+microscope聯(lián)用的，目的是架構(gòu)一套自組的DIC微分干涉差顯微鏡，拍攝被測器件縱向損傷圖樣。

綠色光路里的兩套光學(xué)延遲線delay line 1與delay line 2可以用卓立漢光的精密電移臺(tái)組建，用于調(diào)整泵浦光與探測光的時(shí)間延遲。

接下來我們看到紅色泵浦光與綠色探測光會(huì)合，此前需要相當(dāng)耐心的光路調(diào)節(jié)以保證兩束光完美交匯。在這里我們還看到一套2軸或3軸的電動(dòng)位移臺(tái)，可以同樣考慮卓立漢光的電移臺(tái)，用于驅(qū)動(dòng)樣片位置掃描，實(shí)現(xiàn)改變采樣點(diǎn)與前文所述光柵掃描功能。

再向左邊看就是前文提及的套自組的DIC微分干涉差顯微鏡，其中CCD2+microscop光路上我們還看到一個(gè)綠色的上下箭頭，指的是實(shí)現(xiàn)DIC微分干涉條件時(shí)需要的位置微調(diào)，可采用卓立漢光高精度手動(dòng)或電動(dòng)的位移臺(tái)。

而右下部分是并列的一套基于HeNe激光加CCD的激光散射法損傷鑒別模組，氦氖激光器部分可以考慮采用美國Laser Pacific產(chǎn)品。

繼續(xù)說左上部分Nd:YAG laser B，實(shí)際上，可以看成一套削減功能的Nd：YAG laser A,

而A激光與B激光做時(shí)序控制配合可以拓展多種應(yīng)用。

返回我前述我們提及的模塊化設(shè)計(jì)與搭建思路，實(shí)際上對(duì)于一個(gè)初建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如果經(jīng)費(fèi)預(yù)算不足的話，大可以選用Qsmart 450-20Hz 作為Nd:YAG laser B，匹配一套Ophir 公司 Beam Splitter 分束器加VEGA與PE50BB-DIF-C激光功率能量計(jì)與美國Spiricon 的BGS-USB3-SP932U激光光束品質(zhì)分析儀做激光參數(shù)采集與監(jiān)測，后續(xù)匹配卓立漢光光學(xué)平臺(tái)，光具座，電移臺(tái)，波片，分束器等組建樣片加持與位置掃描子系統(tǒng)，美國laser Pacific HeNe激光器自組一套基于激光散射法的損傷鑒別組件。以上即可自建一套經(jīng)費(fèi)最節(jié)省的激光損傷閾值檢測系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上逐漸增加諸如DIC微分干涉差顯微鏡，泵浦探測檢測系統(tǒng)等多種功能演進(jìn)和拓展，實(shí)現(xiàn)有序良性的發(fā)展。

同樣從模塊化的思路，實(shí)際上還可以拓展到其他檢測術(shù)的聯(lián)用，我們接著舉個(gè)例子，比如說，如下圖，一臺(tái)Qsmart 450 接真空腔室做PLD脈沖激光沉積應(yīng)用

我們知道，脈沖激光沉積PLD是利用高能量激光脈沖將靶材表面一小部分電離，打出來的等離子體濺射到對(duì)面的基材上實(shí)現(xiàn)激光濺射鍍膜。好，現(xiàn)在請(qǐng)您設(shè)想，如果這個(gè)靶材就是我們的激光損傷閾值待測樣片呢？高能激光電離樣片表面，產(chǎn)生的等離子體會(huì)同時(shí)輻射光信號(hào)，我們采用卓立漢光的LIBS激光誘導(dǎo)解離光譜儀測量這個(gè)光譜，如果光譜內(nèi)檢測到樣片基材或其上面增透膜或增反膜的相應(yīng)原子光譜峰；已知真空室高度清潔，樣片表面在進(jìn)入真空室前也高度清潔，我們僅在激光脈沖擊打后才測到了樣片基材或者其表面鍍膜對(duì)應(yīng)的原子光譜峰，不正好證明了此激光能量下，在樣片表面介質(zhì)膜或基材本身上實(shí)現(xiàn)了激光損傷，對(duì)應(yīng)的當(dāng)前激光能量值不就是此介質(zhì)膜或基材的激光損傷閾值么？此方式的好處是，可以完全省卻DIC微分干涉差顯微鏡或者激光散射檢測組件。以上架構(gòu)就是所謂脈沖激光沉積PLD，激光誘導(dǎo)裂解光譜LIBS與激光損傷閾值檢測LIDT原位聯(lián)用系統(tǒng)。

再進(jìn)一步說開來，如上圖真空室具備了，激光誘導(dǎo)等離子體云也具備了，在真空室腔體的另外一個(gè)出口還可以考慮增加一套質(zhì)譜檢測儀，同樣可以原位檢測激光誘導(dǎo)損傷后濺射出的碎片組分，比起激光誘導(dǎo)裂解光譜LIBS技術(shù)在的定量分析上尚未完全成熟而言，MS質(zhì)譜法可以完美的定量分析濺射碎片的組分構(gòu)成，也就是說質(zhì)譜聯(lián)用的激光損傷閾值檢測平臺(tái)LIDT不單單可以測到樣片的損傷閾值，還可以通過逐步提升能量的方法，逐級(jí)檢測何時(shí)表面多層介質(zhì)膜損傷，何時(shí)內(nèi)部基底材料損傷以及各自閾值下的材料損傷比例。

綜上，本文簡單討論了激光損傷閾值檢測LIDT的實(shí)驗(yàn)方法，以及對(duì)于科研客戶而言，如何從零開始，自行組建并拓展LIDT與質(zhì)譜，激光誘導(dǎo)裂解光譜，泵浦探測系統(tǒng)聯(lián)用的可能性以及相關(guān)設(shè)備架構(gòu)簡述。

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