激光损伤阈值测试与相关设备

激光损伤阈值测试与相关设备

激光损伤阈值检测的英文名称是Laser-Induced Damage Threshold(LIDT)，损伤阈值是高等级光学器件的一个关键参数，常见的标注方式是连续激光辐射下的损伤阈值单位W/cm2，以及脉冲激光辐射下的损伤阈值单位J/cm2。

以激光损伤的简单原因来看：

对于连续波激光辐射诱导的激光损伤，一般是激光诱导的热累积在光学基片内部，或者在表面镀膜，在光学镜片间的胶结剂层等等，当热累积到一定程度且来不及传导出去时会发生的损伤。

而脉冲激光辐射诱导的激光损伤，相对而言就会复杂一些，对于纳秒或更短的短脉冲激光，多数是由于高峰值功率脉冲激光的电离击穿效应；而毫秒以上的长脉冲和连续波激光类似，多数是基于热累积效应造成的损伤，当然还有很多情况是击穿效应和热累积效应混合造成的损伤，而脉冲激光的脉宽，波长，能量，重复频率，横模的模式都是影响到激光损伤的参数。

我司代理的法国Quantel公司（隶属于Lumibird公司）很早以前就建立了激光损伤阈值检测实验室并承接商业化的激光损伤阈值测试服务。当然，客户也可以利用我们提供的设备，自己组建激光损伤阈值实验平台。

测试采样方法上常见的有：

• 1-on-1测试：即每个测试点只受到一次激光照射，以确定损伤阈值。这是一种常用的激光损伤阈值测试方法。
• S-on-1测试：S-on-1模式就是在单个位点上辐照多个脉冲，然后获得损伤的统计性规律，
• R-on-1模式：则是对单点进行渐进式提升能量测试直至发生损伤。

一般来说，往往需要进行损伤阈值检测的光学样片其本身的价值已经较高，也意味着其表面加工面形，透过率或反射率等等通常已经做到了相当高的水准，那么我们用高功率或高能量的激光辐射样片后，所造成的损伤将可能很难被肉眼或常规成像系统所观测鉴别到。

那么用显微镜放大观察呢？哪怕我们采用显微镜放大观察被击打后的点位，由于反差小，一般也很难鉴别到损伤点。此时一个重要的方法是提升观测对比度。也就是说往往常规明场照明的显微镜无法完成激光损伤点鉴别，而采用DF暗场显微镜（Dark Field Microscope)乃至DIC微分干涉差显微镜(Differential Interference Contrast Microscope)则可以明显的提升对比度，将损伤点清晰有效的判别出来。以上显微镜均有通用型商品或组件可供集成。

还有一种有效的损伤点鉴别手段是利用低功率激光（一般选HeNe激光）照射被测点，即使被测点仅存在很小的损伤，此被测点对于上述探测激光的散射强度相对于未损伤点也会发生明显的变化，当我们设置好光路检测这个明显变化的散射信号则可以有效的鉴别损伤。

以上是商业公司标准的测试手段。以下还有一些拓展的测试方式：

光栅扫描测试：我们知道，为了达到较高的功率密度或能量密度，用于检测损伤阈值的激光打到待测样品的光束尺寸是较小的，也就是一次激光击打仅仅是对于一个微区进行检测，而对于高等级的光学器件，往往需要对样片的整个区域进行全面覆盖测试，此时就可以采用往复扫描法，对每个位置均进行击打与采样记录，后续进行数据调用和计算完成对于样件上整个工作区域的全面评价。

泵浦-探测技术：对于更高功率或能量的激光应用，激光可能对于样片产生三维的损伤，也就是说损伤可能深入到样片内部很多。此时泵浦探测法可以成为一个有效的检测手段，简单来说就是一束高能激光用于击打样片产生损伤，而我们可以同时较小比例的引出另外一路激光，将其倍频到可见光（一般倍频到绿光以匹配硅基成像相机高灵敏度的波段）做为探测光，此时这一束绿色的探测光就可以作为一个超高亮度照明光（比普通明场照明亮度高上万乃至更多），照亮了纵向损伤区域，便于显微镜加相机拍摄整个的纵向损伤区域的图样。 进一步的，由于探测光也是脉冲光，且和泵浦光是同时产生的，当我们在探测光光路内插入光学延迟线后，可以非常精密的控制探测光相对于泵浦光的时间延迟，也就是说我们还可以利用泵浦探测术精密的拍摄高能激光辐射后某一个特定时刻的损伤形态，当我们多次重复以上不同延迟时间的泵浦探测实验后，则可以统计描绘出样片纵向区域各个时刻的损伤变化趋势图样。

接下来，我们就用户自行组建激光损伤阈值测试平台可能遇到的一些问题做一些介绍：

用于诱导激光损伤的激光器如何选择：

对于连续波激光而言，相对容易选择，只要在需要检测的波段选择足够高功率的激光器即可，比如远红外波段一般选二氧化碳CO2 激光，近红外波段一般选光纤激光，可见光波段一般选固态激光，功率上看需要，瓦量级到几百瓦量级都算常见，特殊应用的实验室甚至可以采用千瓦级激光来自建系统。

图1.激光光斑尺寸与漏采样的关系

这里面需要提及的一点是，如预算允许，选择激光功率较高一些一般不会错。以上图样片为例，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样片上的光斑尺寸会远远低于高功率的激光（如上图的三个并列小光斑作用区域和三个并列大光斑作用区域），如果红色x点位都是样片的缺陷点（也就是样片上损伤阈值低的点位）；很明显高功率大光斑的激光击打下，其漏采样的危险性会远远小于低功率小光斑的激光。从经验上看，有此局部存在低损伤阈值点问题的样片，其损伤阈值由于漏采样而产生的损伤阈值测量偏差可能高达数倍甚至10倍以上（也就是说低损伤阈值的点位如果出现漏采样问题的话，损伤阈值测试结果可能虚标10倍或更多）。所以，为了尽量规避漏采样问题，建立激光损伤检测实验室时，选用预算允许范围内较高功率且原始光斑较大的激光可能更为有利。当然，为了彻底规避漏采样问题，多花时间采用光栅扫描法可以做到覆盖全靶面，而此时高功率大光斑仍然有利，因其可以更短的时间完成mapping。

这一知识点对于脉冲激光损伤阈值测试同样有效。

下面，我们以法国Quantel(lumibird子公司）的纳秒脉冲YAG激光器为例：看看对于客户自建LIDT激光诱导损伤阈值检测平台在纳秒脉冲激光器上如何选择：

以法国Quantel的Qsmart系列中高能量纳秒脉冲激光器来看，其共有的特点是：

• 倍频模块快速拆装切换，无需调校光路
• 自动相位匹配
• 操作简便，容易维护

从型号来看，分成Qsmart中等能量系列和Qsmart HE高能量系列，简单参数如下：

从选型上看，由于考量脉冲激光损伤阈值测试主要考虑的是激光能量密度，我们先选取几个典型型号列举一下其各自的能量密度（注：由于所有光斑均为高斯光斑，其能量密度计算法=（激光能量/光斑面积）*2，运算后

从采购预算上看，最高型号Qsmart 2300与最低型号Qsmart 450价格相差数倍，而从能量密度上看相差不到一倍。如果初建实验室，中等能量的Qsmart 850是较常用的激光,而Qsmart 450是最经济的一款实验用机。

而预算较充裕的话，可以考虑选择Qsmart 1500或Qsmart 2300，突出的是述高能量和较大光斑共存的优势可更好的规避漏采样。

另外，还要说明的是不是说现在计算的2-4 J/cm2 就是本设备能量密度的极限，我们可以简单的利用透镜聚集，把能量密度再提升数倍，以适合更多的样片测试。

采用S-on-1,R-on-1,光栅扫描测试法时，由于需要很多发激光脉冲参与，重复频率较高的20Hz型号比较建议采用。

简单来讲，就是在预算范围内，选择能量较高，重复频率较高的激光比较适合。

激光功率能量计与激光光束品质分析仪的选择。

我们知道，脉冲激光器的激光能量随时有微小变化的，而且其光斑形状也可能在中长期有渐变。我们可以在光路内增加一片不镀膜的石英光楔，石英光楔起到的作用是透过大多数激光能量用于损伤测试，而光楔前表面会反射大约4%-5%的能量到后续激光能量计加光斑分析仪组合包。所谓组合包，就是我们可以后续再加一片光楔，分出刚才4%能量中的96%约等于原始激光3.84%的能量给激光能量探头，则此能量探头可即时监测当前激光能量值。现在最后还剩下4%*4%=0.16%的能量，我们正好把这些残余能量输送进激光光束品质分析仪，用于即时监测当前激光光束的品质，所有激光能量一点都没浪费，物尽其用。

在此种架构上，推荐以色列Ophir的激光功率能量计和美国Spiricon的激光光束品质分析仪的搭配。

一方面原因是以色列Ophir强项在 激光功率能量测试，美国Spiricon强项在激光光斑品质分析仪，在各自领域均处于业界标杆。因其强大的公信度，商家在出具的测试报告中注明采用以上Ophir/Spiricon厂家的设备进行测试，会很大的提升激光损伤阈值检测LIDT的用户信任度。

另一个原因是以色列Ophir全资收购美国Spiricon后，可将Ophir的激光功率能量测试数据无痕融入到Spiricon的BeamGage软件中，当我们采用前面描述的石英光楔1采样4%-5%激光后，再利用石英光楔2导引进Ophir的功率计加Spiricon激光光束品质分析仪组合。用户可以在Spiricon的BeamGage激光光束品质分析界面直接看到已经归一化计算好的当前激光光斑的所有参数，诸如激光光束直径，激光能量，激光能量密度等等，等等。用户如果采购BeamGage Professional专业版的话，还有望直接调用并融合BeamGage的输出报告到自己编写的激光损伤预置测试与报告APP内，实现测试软件与硬件的全融合。

实验室自建激光诱导损伤阈值检测平台举例：

首先分析一个自组LIDT激光诱导损伤阈值检测系统

• 激光器上，如前述根据预算选择功率或能量较高的激光，比如Qsmart 850或者Qsmart 2300
• 接着进入一个shutter激光快门再加偏振式可调衰减器，在这里可能有客户有疑问既然Qsmart 系列Nd:YAG激光器本身就有控制器,通过控制闪光灯，Q开关等时序控制，同样也可以控制何时输出光脉冲以及输出多大的能量，为什么还要增加一套偏振式连续可调谐激光衰减器以及外置的Shutter激光快门呢。简单讲，对于所有激光器而言，在额定输出状态时其系统热平衡是最佳保持状态，此状态下激光能量输出最稳定，光斑形态保持最佳且激光器的寿命最长，我们在后续光路上增加的偏振式连续可调谐激光衰减器以及外置的Shutter激光快门是用来实现调谐激光能量与激发时刻功能的同时，保持激光器额定工作输出状态。
• 偏振控制器和聚焦镜用于调整光斑
• 后续一个光楔反射4%-5%的激光能量到激光参数监控包里面（绿色框部分），其余能量用于诱导损伤
• 进入激光参数监控包（Ophir/Spiricon)包含激光功率能量计，激光光斑品质分析仪和一个接示波器的快速光电管，可以记录每一发激光脉冲的能量，光斑大小，指向稳定性，模式稳定性，脉冲宽度与脉宽稳定性等等）
• 样品台建议基于电移台的架构以及PCU电移台定位扫描控制器
• 配置DF暗场或DIC微分干涉差显微镜作为损伤检测组件加上电脑形成一套自组LIDT激光诱导损伤阈值检测系统

这是一套相当复杂的多功能系统，对于客户来说，可以采用模块化搭积木的方式逐步搭建系统，丰富功能。以下我们稍作解析。

首先是灯泵Nd:YAG laser A主激光器，初期可以只采购一台0.5J到2J级别（例如Qsmart 450, QSmart 1500等型号），10-20Hz灯泵Nd:YAG激光器做为Nd:YAG laser A主光源，配齐二倍频加三倍频模块，则可涵盖1064nm,532nm,355nm测试波长，视要求再考虑是否继续增加266nm四倍频模块，213nm五倍频模块。 而另外一台联用的Nd:YAG laser B激光可放在相当靠后的计划再搭配，加上美国SRS公司DG645 可做两台YAG激光器前后激光脉冲的时序控制。

继续分析Nd:YAG laser A及后续光路，这就是一套典型的泵浦探测架构，Nd:YAG laser A红色光路输出的部分指的是1064nm基频泵浦光，PBS偏振式激光分束器大致是一套基于偏振片的连续可调谐激光衰减器，好处是可以在0-100%连续调节激光能量，然后经过波片与高反镜导入光路中的分束器Splitter即是前文所提及的石英光楔，导引少部分激光进激光能量计和激光光束品质分析仪组合随时监测当前激光所有关键参数。

接着进入一个激光快门shutter，保持激光器可以时刻维持额定工作输出状态。

绿色光路部分是1064nm激光经过倍频形成532nm绿光作为探测光，之所以选用532nm波长是因为后续的CCD探测器其量子效率峰值大致在绿光波段。532nm探测光继续经过一个偏振分束器，分成两路正交的偏振光，这两路正交的偏振探测光是和左下方CCD1+microscope与CCD2+microscope联用的，目的是架构一套自组的DIC微分干涉差显微镜，拍摄被测器件纵向损伤图样。

绿色光路里的两套光学延迟线delay line 1与delay line 2可以用卓立汉光的精密电移台组建，用于调整泵浦光与探测光的时间延迟。

接下来我们看到红色泵浦光与绿色探测光会合，此前需要相当耐心的光路调节以保证两束光完美交汇。在这里我们还看到一套2轴或3轴的电动位移台，可以同样考虑卓立汉光的电移台，用于驱动样片位置扫描，实现改变采样点与前文所述光栅扫描功能。

再向左边看就是前文提及的套自组的DIC微分干涉差显微镜，其中CCD2+microscop光路上我们还看到一个绿色的上下箭头，指的是实现DIC微分干涉条件时需要的位置微调，可采用卓立汉光高精度手动或电动的位移台。

而右下部分是并列的一套基于HeNe激光加CCD的激光散射法损伤鉴别模组，氦氖激光器部分可以考虑采用美国Laser Pacific产品。

继续说左上部分Nd:YAG laser B，实际上，可以看成一套削减功能的Nd：YAG laser A,

而A激光与B激光做时序控制配合可以拓展多种应用。

返回我前述我们提及的模块化设计与搭建思路，实际上对于一个初建实验平台，如果经费预算不足的话，大可以选用Qsmart 450-20Hz 作为Nd:YAG laser B，匹配一套Ophir 公司 Beam Splitter 分束器加VEGA与PE50BB-DIF-C激光功率能量计与美国Spiricon 的BGS-USB3-SP932U激光光束品质分析仪做激光参数采集与监测，后续匹配卓立汉光光学平台，光具座，电移台，波片，分束器等组建样片加持与位置扫描子系统，美国laser Pacific HeNe激光器自组一套基于激光散射法的损伤鉴别组件。以上即可自建一套经费最节省的激光损伤阈值检测系统，然后在此基础上逐渐增加诸如DIC微分干涉差显微镜，泵浦探测检测系统等多种功能演进和拓展，实现有序良性的发展。

同样从模块化的思路，实际上还可以拓展到其他检测术的联用，我们接着举个例子，比如说，如下图，一台Qsmart 450 接真空腔室做PLD脉冲激光沉积应用

我们知道，脉冲激光沉积PLD是利用高能量激光脉冲将靶材表面一小部分电离，打出来的等离子体溅射到对面的基材上实现激光溅射镀膜。好，现在请您设想，如果这个靶材就是我们的激光损伤阈值待测样片呢？高能激光电离样片表面，产生的等离子体会同时辐射光信号，我们采用卓立汉光的LIBS激光诱导解离光谱仪测量这个光谱，如果光谱内检测到样片基材或其上面增透膜或增反膜的相应原子光谱峰；已知真空室高度清洁，样片表面在进入真空室前也高度清洁，我们仅在激光脉冲击打后才测到了样片基材或者其表面镀膜对应的原子光谱峰，不正好证明了此激光能量下，在样片表面介质膜或基材本身上实现了激光损伤，对应的当前激光能量值不就是此介质膜或基材的激光损伤阈值么？此方式的好处是，可以完全省却DIC微分干涉差显微镜或者激光散射检测组件。以上架构就是所谓脉冲激光沉积PLD，激光诱导裂解光谱LIBS与激光损伤阈值检测LIDT原位联用系统。

再进一步说开来，如上图真空室具备了，激光诱导等离子体云也具备了，在真空室腔体的另外一个出口还可以考虑增加一套质谱检测仪，同样可以原位检测激光诱导损伤后溅射出的碎片组分，比起激光诱导裂解光谱LIBS技术在的定量分析上尚未完全成熟而言，MS质谱法可以完美的定量分析溅射碎片的组分构成，也就是说质谱联用的激光损伤阈值检测平台LIDT不单单可以测到样片的损伤阈值，还可以通过逐步提升能量的方法，逐级检测何时表面多层介质膜损伤，何时内部基底材料损伤以及各自阈值下的材料损伤比例。

综上，本文简单讨论了激光损伤阈值检测LIDT的实验方法，以及对于科研客户而言，如何从零开始，自行组建并拓展LIDT与质谱，激光诱导裂解光谱，泵浦探测系统联用的可能性以及相关设备架构简述。

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