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实验使用1064 nm激光谐振腔镜及窗口片作为测试样品,基底均为直径25.4 mm,厚度5 mm的熔融石英玻璃片,谐振腔镜镀有1064 nm波长增反膜,窗口片镀有近红外多层增透膜。该两种类型样品均为激光实验中的常用空间调制光学元件,具有激光元件的代表性与典型性,用以验证文中方法的测量效果。
图9(a)是测量薄膜元件激光损伤系统,实验用1064 nm激光器,脉冲重复率为100 Hz,脉宽20 ns,最大输出能量为580 mJ;衰减器AT1是由偏振分束器和半波片组成的,通过旋转半波片进行能量强度调控;AT2是由两个可调衰减片(大恒光电,GCO-0703 M)组成,避免在监测聚焦光斑尺寸时损坏CCD相机;能量计EM是Coherent公司的J-50MB-IR能量计,CCD相机是Spiricon-OPHIR公司的SP620U-MIR光束质量分析仪。图9(b)是实验室自研白光显微干涉测量系统,光源是宽谱段LED光源,中心波长576 nm,带宽100 nm,干涉图采集模块使用IMPERX 公司的GEV-B1410M-SC000型号CCD相机,分辨率为1360 pixel×1024 pixel,像素尺寸为6.45 μm,配备10、20、100 倍干涉显微物镜,平面内最高可以实现0.06 μm单像素成像精度,纵向扫描模块使用PI公司生产的P-721, PIFOC高精度物镜扫描仪,扫描精度达到亚纳米量级。
Figure 9. Experimental measurement system. (a) Laser damage monitoring system; (b) White-light interferometry measurement system
在实验中,笔者对激光器腔镜及窗口片进行单点多次激光辐照。为防止测试区域过近致使结果混淆,将每个样片按照钟表刻度划分为12个区域,分别对应不同的能量强度,在每个区域中选取一个位置作为测试点,对每个测试点进行100次激光辐照,让待测样片在激光不同能量密度下产生损伤。完成激光损伤操作后,使用算法优化的白光干涉法测量损伤区域,量化损伤程度,进行损伤趋势拟合。
腔镜及窗口片的QELDD测量结果分别如图10(a)和图11(a)所示。在图10(a)中,腔镜样片M1的激光损伤阈值结果为5.10 J/cm2,M2激光损伤阈值结果为5.61 J/cm2,标准差为0.361 J/cm2;图11(a)中,窗口片W1的激光损伤阈值结果为6.62 J/cm2,W2的损激光伤阈值结果为6.53 J/cm2,标准差为0.064 J/cm2。两种样品的测量结果证明,QELDD方法有着较好的稳定性,薄膜样品的激光损伤虽然会收到激光器稳定性、环境扰动、镀膜工艺及内部缺陷等因素影响,但QELDD方法可以有效地筛选明显偏差点,基于有效损伤点进行拟合,具有较高的稳定性及鲁棒性。
Figure 10. Laser damage threshold measurement results of cavity mirrors. (a) QELDD method; (b) S-on-1 method
Figure 11. Laser damage threshold measurement results of windows. (a) QELDD method; (b) S-on-1 method
为验证提出QELDD方法与国标测量结果是否一致,笔者用标准 S-on-1方法测试样品,S取100次。激光器腔镜测试结果如图10(b)及表1所示,评估激光损伤阈值约为5.53 J/cm2;窗口片测试结果见图11(b)及表2,评估激光损伤阈值约为6.33 J/cm2。从结果上看,QELDD法与S-on-1法测量结果相近,腔镜的结果相差不超过0.5 J/cm2,窗口片的结果相差不超过0.3 J/cm2,有着较高一致性。值得注意的是,在损伤概率统计过程中,发现存在一些统计数据点是偏离估算结果的,即在激光损伤阈值范围之外出现损伤,在图10(b)中,当激光能量密度为5.155 J/cm2时,其损伤概率为0.15,出现损伤点,存在偏差;同理,在图11(b)中,能量密度为5.887 J/cm2时,损伤概率为0.10,同样存在偏差损伤点。这些存在除激光能量之外诱因导致的损伤是难以避免的,如果不能有效筛除这些偏差数据,将会在一定程度上影响LIDT的测量精度。
Method Sample LIDT /J·cm−2 QELDD M1 5.10 M2 5.61 S-on-1 M3 5.53 Table 1. Damage threshold measurement results of laser resonator mirror
Method Sample LIDT/J·cm−2 QELDD W1 6.62 W2 6.53 S-on-1 W3 6.33 Table 2. Damage threshold measurement results of window plate
在上述两种方法的测试过程中,方法S-on-1需要大量重复性实验,操作较为繁琐,测量结果精度难以保证,在出现激光输出不稳定、样品镀膜不均匀、材质有缺陷等问题导致的误差损伤时,损伤概率容易出现异常。在损伤概率从0~1跃变区域出现不定原因损伤时,会导致阈值评估范围出现偏差,为保证测试结果准确性及可靠性,需要对新的样片重复实验,增加工作量与测量时间。文中所提出QELDD方法基于元件损伤程度评估激光损伤阈值,不需要大量重复性激光损伤实验,任何激光损伤均可作为评估损伤阈值的重要参数,并且在对损伤区域三维测量过程中,根据测量结果是否满足激光损伤特征进行判断,筛除异常数据,保留有效损伤点的数据拟合,大大提升测量效率和降低成本。
Method for measuring laser damage threshold of optical thin film elements based on quantitative damage evaluation
doi: 10.3788/IRLA20230614
- Received Date: 2023-11-06
- Rev Recd Date: 2023-12-15
- Publish Date: 2024-03-21
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Key words:
- optical thin-film components /
- laser-induced damage /
- damage threshold measurement /
- white light interferometry /
- three-dimensional topography measurement
Abstract: