光學(xué)薄膜激光損傷檢�(cè)研究的背景與意義
自從激光問(wèn)世以�(lái)，光與物�(zhì)相互作用這一重要科學(xué)�(lǐng)域得到了新的開拓。六十年代初，隨著調(diào)Q激光器的出�(xiàn)，激光對(duì)物質(zhì)的破壞作用就為人們所察覺(jué)。隨著激光器研究的發(fā)展以及高功率激光器的出�(xiàn)，人們發(fā)�(xiàn)，光�(xué)器件本身所能承受的抗破壞能力已成為限制激光器有用輸出功率提高的重要因素之一，因�，激光對(duì)材料的損傷就成了激光研究領(lǐng)域中的一�(xiàng)重要課題�
光學(xué)薄膜幾乎是所有光�(xué)系統(tǒng)中不可缺少的基本元件，并且也是激光系�(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。長(zhǎng)期以�(lái)，激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞一直是限制激光向高功�、高能量方向�(fā)展的“瓶頸”，也是影響高功率激光薄膜元件使用壽命的主因。另一方面，光�(xué)薄膜也是�(dǎo)�、遙感衛(wèi)星等航天飛行器中�(dǎo)�、定位、遙感甚至能源系�(tǒng)中的重要組成元件，應(yīng)用強(qiáng)激光武器對(duì)光學(xué)薄膜元件的破壞可以造成航天飛行器的致眩、致�、失控，甚至于系�(tǒng)的整體失�。光�(xué)薄膜中即使出�(xiàn)十分微小的瑕疵，也會(huì)�(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的下降，嚴(yán)重時(shí)將引起整�(gè)系統(tǒng)的癱瘓，光學(xué)薄膜的抗損傷特性將直接影響到整�(gè)系統(tǒng)的設(shè)�(jì)方案以及今后系統(tǒng)�(yùn)行的性能。所�，研究光�(xué)薄膜的抗激光破壞問(wèn)題具有非常重要的意義�
然�，激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷是一�(gè)�(fù)雜的�(guò)�，它由作用激�(重復(fù)頻率、波�(zhǎng)、脈寬、偏振態(tài)、模式、光�、輻照方式等)和光�(xué)薄膜的性質(zhì)(薄膜光學(xué)特�、膜�、制備工�、薄膜結(jié)�(gòu)、缺陷密度等)兩方面決�。不同的激光參�(shù)條件�(duì)同一薄膜�(huì)�(chǎn)生不同的損傷�(jié)�。不僅如�，由于薄膜激光損傷是薄膜與強(qiáng)相干輻射相互作用的結(jié)�，在�(qiáng)相干輻射作用下，薄膜元件具有許多新的行為，而這些行為通常難以用經(jīng)典薄膜光�(xué)理論�(jìn)行解釋。因�，研究薄膜激光損傷，分析薄膜與強(qiáng)激光相互作用的�(guò)程及其結(jié)�，將�(huì)促�(jìn)�(qiáng)激光材料科�(xué)，強(qiáng)激光薄膜光�(xué)等新�(xué)科的形成與完�，因此具有重要的�(xué)�(shù)意義�
1、光�(xué)薄膜激光損傷機(jī)理研究�(jìn)�
�(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到足夠高的量�(jí)�(shí)，材料將�(fā)生一系列不可逆的�(zāi)難性的變化，通常將這種�(xiàn)象稱為損�。在�(guò)去的30年間，對(duì)激光誘�(dǎo)光學(xué)材料和膜層損傷的理論、物理機(jī)�、損傷的檢測(cè)以及提高材料抗損傷的方法研究已經(jīng)成為高功率激光研究的一�(gè)重要�(lǐng)�，SPIE激光損傷專題國(guó)際學(xué)�(shù)�(huì)議年年召�，與�(huì)者眾�，足以說(shuō)明激光誘�(dǎo)損傷�(wèn)題的�(fù)雜�。激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷過(guò)程是一�(gè)�(fù)雜的�(guò)程，�(duì)于不同的薄膜材料、制備方法、激光參�(shù)和作用模式[，破壞過(guò)程和損傷�(jī)理都有很大差異性，這里包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)�(guò)程、場(chǎng)擊穿�(guò)程等，但最基本的還是熱�(guò)�，光通過(guò)本征吸收、雜�(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為�，由熱熔融或熱力耦合�(dǎo)致薄膜的最終損�。在大量的實(shí)�(yàn)研究與理論分析的基礎(chǔ)�，人們提出了雪崩離化、多光子吸收、雜�(zhì)吸收、節(jié)瘤缺陷以及熱爆炸模型破壞，等破壞�(jī)制，�(dāng)然這些�(jī)制并不是普適�，在激光與薄膜相互作用�(guò)程中可能包括了多�(gè)�(guò)程或多種�(jī)制的耦合，由于破壞過(guò)程時(shí)間短，作用區(qū)域小，大多數(shù)分析都只能是針對(duì)破壞后的特性�(jìn)行的，這給確切了解破壞�(guò)程帶�(lái)很大難度�
綜合�(lái)�(shuō)，多種機(jī)制的�(chǎn)生一方面�(shuō)明激光與薄膜相互作用�(guò)程的�(fù)雜�，而另一方面也說(shuō)明了人們對(duì)光學(xué)薄膜的激光損傷機(jī)制的�(rèn)�(shí)是在不斷地發(fā)展的。雖然各種機(jī)制都有其局限�，都是試圖從某一�(gè)角度出發(fā)�(duì)激光與薄膜作用�(guò)程�(jìn)行闡釋，但在�(shí)際工作中，各種機(jī)制都為我們�(jìn)一步提高薄膜的抗激光損傷性能指明了方�。理論界的工作者已傾向于綜合考慮以多種機(jī)理的融合、貫通以求建立更完整的理論模�。幾十年�(lái)，高功率激光薄膜及其激光破壞問(wèn)題得到了�(zhǎng)足的改�(jìn)和發(fā)��
2、高能激光對(duì)光學(xué)薄膜的破�
較高功率激光的持續(xù)作用�(huì)�(chǎn)生幾�(gè)基本的物理過(guò)�。一方面，薄膜在制備�(guò)程中�(chǎn)生的原發(fā)性缺陷，諸如節(jié)�，雜�(zhì)�，在激光作用下�(huì)直接破壞，并不斷�(kuò)�，另一方面，通過(guò)光化�(xué)，光離化，光�，光聲等多種效應(yīng)�(chǎn)生諸如缺陷等繼發(fā)性缺陷在后續(xù)激光的作用下被摧毀�(chǎn)生新的破�。當(dāng)能量足夠高時(shí)，激光的熱力�(guò)程本身就�(huì)累積增加。具體的�(guī)律，因材料和工藝而異。有些缺�，在激光停止作用后�(huì)恢復(fù)，其破壞狀�(tài)是瞬�(shí)�，有些微損傷卻繼�(xù)保留，當(dāng)激光再次作用時(shí)，破壞會(huì)繼續(xù)�(fā)展。這種破壞是永久性的。薄膜破壞的累積效應(yīng)是與缺陷相關(guān)�(lián)的，抑制原發(fā)性缺陷的形成，消除繼�(fā)性缺陷的誘因，有可能大幅度提高多脈沖激光作用下薄膜的破壞閾值�
高能激光誘�(fā)的損傷現(xiàn)象主要有以下幾種�
1)激光在材料傳輸�(guò)程中�(chǎn)生橫向受激布里淵散射效�(yīng)，激�(fā)聲波�(dǎo)致的材料�(jī)械損�;
2) 由于光學(xué)元件�(nèi)的材料雜�(zhì)在加工過(guò)程中引入的亞表面損傷，表面附著的灰塵和污漬以及劃痕等缺陷�(duì)激光的衍射效應(yīng)�(dǎo)致激光近�(chǎng)出現(xiàn)大量中高頻調(diào)�，帶有調(diào)制的光束在后�(xù)介質(zhì)傳輸，光束近�(chǎng)可能�(huì)形成局部強(qiáng)區(qū)(非線性熱�)，從而引起光�(xué)元件表面�(diǎn)狀損傷和材料內(nèi)部出�(xiàn)自聚焦絲，當(dāng)局部強(qiáng)區(qū)的激光通量超過(guò)光學(xué)元件的損傷閾值時(shí)，元件將�(huì)被損�;
3)激光在傳輸�(guò)程中被光�(xué)元件上的遮光物調(diào)�，攜帶調(diào)制信息的激光光�(chǎng)在下游光�(xué)元件中傳�，調(diào)制部分的B積分增長(zhǎng)很快，到一定量后光�(chǎng)將出�(xiàn)局部熱�，熱像強(qiáng)度是平均光強(qiáng)的好幾�，容易造成下游光學(xué)元件損傷;
4) 在激光器�(yùn)行中，光�(xué)元件排布密集的復(fù)雜光�(jī)�(jié)�(gòu)�，部分雜散光和鬼光束不可避免的要照射到光�(jī)組件的金屬筒壁上，當(dāng)光強(qiáng)足夠大時(shí)，金屬筒壁濺射的金屬污染顆粒�(huì)沉積到光�(xué)元件表面上，在后�(xù)激光輻照下，這些金屬顆粒與激光相互作用生成的等離子體將強(qiáng)烈吸收激光能�，使元件表面熱熔或炸裂，污染和元件的初始缺陷是誘�(fā)激光損傷的主要原因�
3、光電檢�(cè)技�(shù)原理及其�(fā)展趨�(shì)
3.1、光電檢�(cè)技�(shù)的原�
光電檢測(cè)技�(shù)是光電信息技�(shù)的主要技�(shù)之一，它是以激�、紅�、光纖等�(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過(guò)�(duì)被檢�(cè)物體的光輻射，經(jīng)光電檢測(cè)器接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信�(hào)，由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，再�(jīng)�/�(shù)�(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)�(yùn)算處�，最后顯示輸出所需要的檢測(cè)物理量等參數(shù)�
光電檢測(cè)技�(shù)主要包括光電變換技�(shù)、光信息獲取與光�(cè)量技�(shù)以及�(cè)量信息的光電處理技�(shù)�。主要有如下特點(diǎn)�
1)精度�。激光干涉法�(cè)量長(zhǎng)度的精度可達(dá)0.05μm/m;用激光測(cè)距法�(cè)量地球與月球之間距離的分辨力可以�(dá)�1m�
2)高速度。光電檢�(cè)技�(shù)以光為媒�，而光的傳播速度�?�?，無(wú)疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的�
3)距離�(yuǎn)、大量程。光是最便于�(yuǎn)距離傳輸?shù)慕橘|(zhì)，尤其適用于遙控和遙�(cè)，如光電跟蹤等�
4)非接觸測(cè)量。光照到被測(cè)物體上可以認(rèn)為是�(méi)有測(cè)量力�，因此也�(wú)摩擦，可以實(shí)�(xiàn)�(dòng)�(tài)�(cè)�，是各種�(cè)量方法中效率最高的�
3.2、光電檢�(cè)技�(shù)的發(fā)展趨�(shì)
通過(guò)上面�(duì)光電檢測(cè)技�(shù)的原理和特點(diǎn)的分析，同時(shí)隨著各國(guó)在技�(shù)�(chuàng)新方面的日新月異，光電檢�(cè)技�(shù)的發(fā)展趨�(shì)主要表現(xiàn)在：
向高精度方向�(fā)展：檢測(cè)精度向高精度方向�(fā)�，納米、亞納米高精度的光電檢測(cè)新技�(shù)是今后的�(fā)展熱�(diǎn);
向智能化方向�(fā)展：檢測(cè)系統(tǒng)向智能化方向�(fā)�，如光電跟蹤與光電掃描測(cè)量技�(shù);
向數(shù)字化方向�(fā)展：檢測(cè)�(jié)果向�(shù)字化，實(shí)�(xiàn)光電�(cè)量與光電控制一體化方向�(fā)�;
向多元化方向�(fā)展：光電檢測(cè)儀器的檢測(cè)功能向綜合�、多參數(shù)、多維測(cè)量等多元化方向發(fā)�，并向人們無(wú)法觸及的�(lǐng)域發(fā)�，如微空間三維測(cè)量技�(shù)和大空間三維�(cè)量技�(shù);
向微型化方向�(fā)展：光電檢測(cè)儀器所用電子元件及電路向集成化方向�(fā)�，光電檢�(cè)系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光機(jī)電檢�(cè)系統(tǒng)�(fā)�;
向自�(dòng)化方向發(fā)展：檢測(cè)技�(shù)向自�(dòng)�、非接觸、快速在線測(cè)量方向發(fā)�，檢�(cè)狀�(tài)向動(dòng)�(tài)�(cè)量方向發(fā)��
光電檢測(cè)技�(shù)的發(fā)展趨�(shì)是與科技的整體發(fā)展趨�(shì)相適�(yīng)�，還有一些是自己所特有的，整體上來(lái)�(shuō)，是向著高精度、高速度方向�(fā)��
4、損傷閾值定義的�(fā)�
�(shù)十年�(lái)，光�(xué)薄膜激光損傷機(jī)制的研究取得了長(zhǎng)足�(jìn)�，同�(shí)伴隨損傷閾值測(cè)試手段以及損傷閾值定義的較大�(fā)展�
�(dāng)輻照激光能量密度較低時(shí)，光�(xué)薄膜的損傷主要由各類缺陷引起。由于薄膜本身的�(jié)�(gòu)比較�(fù)�，并且制備工藝繁�，容易形成各類缺�;貯存、運(yùn)�?shù)雀鱾€(gè)�(huán)節(jié)都可能引入各種污�，所以薄膜內(nèi)部及其表面各類缺陷的分布非常�(fù)雜，相互之間的損傷閾值存在較大差�，這樣在一定的能量密度范圍�(nèi)損傷往往呈現(xiàn)出概率�。因�，在功能性損傷閾值定義出�(xiàn)以前薄膜的損傷閾值都是以幾率方式確定的�80年代之前多數(shù)采用的是50%幾率損傷閾�� 定義為被檢測(cè)薄膜的最大的不損傷能量和最小損傷能量的平均值�
50%損傷閾值不確定性較�，并且存在所謂的“光斑效�(yīng)�，即�(cè)試得到的損傷閾值對(duì)光斑尺寸的依賴性，這樣�(dǎo)致同一樣品在各�(shí)�(yàn)室測(cè)得的損傷閾值有較大差異，體�(xiàn)了薄膜缺陷損傷的特點(diǎn)以及該定義的缺點(diǎn)�
50% 幾率損傷閾值定義的缺點(diǎn)推動(dòng)了損傷閾值檢�(cè)技�(shù)的研究與�(fā)��80年代后期，薄膜的損傷閾值開始用零幾率損傷閾值定�，它表示的是損傷幾率恰好為零�(shí)�(duì)�(yīng)激光的能量密度。其獲取方法如下：用不同的能量等�(jí)�(duì)待測(cè)樣品�(jìn)行檢�(cè)，得到對(duì)�(yīng)的損傷幾率，在激光能量和損傷幾率的坐�(biāo)系中記下相應(yīng)的位�，然后對(duì)這些幾率做線性擬�，該直線與能量軸的交�(diǎn)便是零幾率損傷閾�。相比于50%閾�，零幾率損傷閾值的不確定性要小很�;從應(yīng)用角度來(lái)看，�(shù)值的可參考性也更大，更為重要的�，零幾率損傷閾值定義從理論上消除了�(cè)試中的光斑效�(yīng)。為了減小零幾率損傷閾值的不確定�，在檢測(cè)�(guò)程中能量等級(jí)�(yīng)多一�，每一等級(jí)的測(cè)試點(diǎn)也應(yīng)多一些，特別�20%-60%(�80%)的中間區(qū)�，此外要�(zhǔn)確找到零幾率的能量值，一般測(cè)試中�10 �(gè)能量等級(jí)，每�(gè)等級(jí)不小�10 �(gè)作用�(diǎn)�
�(wú)論是50%幾率損傷閾值定義還�0%幾率損傷閾值定義都是以器質(zhì)性變化作為損傷產(chǎn)生的判斷依據(jù)，也就是�(shuō)只要激光輻照后樣品表面或內(nèi)部出�(xiàn)可見(jiàn)的不可逆變化即�(rèn)為產(chǎn)生了損傷，無(wú)論該變化是否影響其所在光�(xué)系統(tǒng)的整體性能。實(shí)際上光學(xué)薄膜的損傷有相當(dāng)一部分由各類缺陷引�，其激光損傷特�(diǎn)是概率性強(qiáng)、面積小且在一定條件下能夠保持�(wěn)�;而以目前的制備技�(shù)，完全消除缺陷是不可能的，顯然這非常不利于光學(xué)薄膜元件的充分利�?；谝恍┘す庀到y(tǒng)允許其元件有一定程度的損傷的事�(shí)，Stolz等人提出了功能性損傷閾值的定義�
所謂功能性損傷閾�，就是指激光輻照之后引起光�(xué)元件的變化不足以影響系統(tǒng)整體性能的最大能量密度。該定義�?lián)p傷產(chǎn)生與否的判斷�(biāo)�(zhǔn)為系�(tǒng)的整體性能，主要表�(xiàn)為兩�(gè)方面：首先，激光輻照產(chǎn)生的變化�(yīng)足夠�，不能改�?cè)墓鈱W(xué)特�，諸如反射率、透過(guò)率等，也不能改變傳輸光束的特�，不至于影響元件在系�(tǒng)中的整體表現(xiàn);其次，該變化�(yīng)該是�(wěn)定的，在其所處系�(tǒng)正常工作的環(huán)境中不會(huì)�(fā)展成為災(zāi)難性損��
顯然，功能性損傷不僅要考慮元件在一次激光輻照下的表�(xiàn)，還要考慮在以后多次激光作用下的結(jié)�;不僅要考慮元件本身的性能，還要考慮其所屬系�(tǒng)�(duì)其的要求及其性能表現(xiàn)�
5、結(jié)�(yǔ)
本章主要介紹了研究光�(xué)薄膜激光損傷檢�(cè)研究的背景和意義、光�(xué)薄膜激光損傷機(jī)理研究�(jìn)�、高能激光對(duì)光學(xué)薄膜的破�、光電檢�(cè)技�(shù)原理及其�(fā)展趨�(shì)以及光學(xué)元件損傷閾值定義的�(fā)�。光�(xué)薄膜幾乎是所有光�(xué)系統(tǒng)中不可缺少的基本元件，并且也是激光系�(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。光�(xué)薄膜中如果出�(xiàn)十分微小的瑕疵，�(huì)�(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的下降，嚴(yán)重時(shí)將引起整�(gè)系統(tǒng)的癱瘓，光學(xué)薄膜的抗損傷特性將直接影響到整�(gè)系統(tǒng)的設(shè)�(jì)方案以及今后系統(tǒng)�(yùn)行的性能�
激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷是一�(gè)�(fù)雜的�(guò)程，它由作用激光和光學(xué)薄膜的性質(zhì)兩方面決�。不同的激光參�(shù)條件�(duì)同一薄膜�(huì)�(chǎn)生不同的損傷�(jié)�。損傷最基本的還是熱�(guò)�，光通過(guò)本征吸收、雜�(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為�，由熱熔融或熱力耦合�(dǎo)致薄膜的最終損傷。激光損傷檢�(cè)的光電檢�(cè)技�(shù)的研究成為了光電信息技�(shù)的研究重�(diǎn)，重要的是檢�(cè)系統(tǒng)能夠?qū)鈱W(xué)元件的損傷�(jìn)行在線監(jiān)�(cè)。光電檢�(cè)技�(shù)是以激�、紅外、光纖等�(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過(guò)�(duì)被檢�(cè)物體的光輻射，經(jīng)光電檢測(cè)器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信�(hào)，由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，再�(jīng)�/�(shù)�(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)�(yùn)算處�，最后顯示輸出所需要的檢測(cè)物理量等參數(shù)�
�(xiàn)今光電檢�(cè)技�(shù)正向著高精度、高速度方向�(fā)�。光�(xué)元件在高能激光輻照下的損傷閾值一直是相關(guān)課題研究的重�(diǎn)和難�(diǎn)�80 年代之前采用�50%幾率損傷閾值， 定義為被檢測(cè)薄膜的最大的不損傷能量和最小損傷能量的平均�，不確定性較��80 年代后期出現(xiàn)的零幾率損傷閾值定義為損傷幾率恰好為零�(shí)�(duì)�(yīng)激光的能量密度。后�(lái)提出了功能性損傷閾�，就是指激光輻照之后引起光�(xué)元件的變化不足以影響系統(tǒng)整體性能的最大能量密��
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