基于光散射及灰度值作為判據的光學薄膜激光損傷閾值測量系統

孟令強 王青 張莉萍 齊思璐 王曉燁

摘要：

基于ISO11254國際標準，構建了基于半導體激光光散射檢測光學薄膜損傷與否的光學薄膜激光損傷閾值測試系統。運用圖像處理以及灰度值作為判斷薄膜損傷與否的判據，對TiO2/SiO2增透膜進行了閾值測試。由圖像處理可得，當光斑圖像有效區域內灰度值最大的前50個像素點的平均灰度值在25到33之間時，該區域為薄膜損傷的臨界區域，并將測量結果與在Veeco白光輪廓儀觀測到的損傷形貌進行對比，具有較好的一致性。

關鍵詞：

光學薄膜； 激光損傷閾值； 光散射； 圖像處理； 灰度值

中圖分類號： TH 74文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.012

Abstract：

The laserinduced damage threshold test system has been constructed according to the international standard of ISO 11254 which is based on the measurement of the scattered light of the diode laser. Image processing algorithm and the grey level of the image have been used to judge whether the film has been damaged. The threshold of antireflection coating deposited by TiO2 and SiO2 was performed according to ISO 11254 standard，ensuring the critical area of grey level is between 25 and 33 in the test system. The measured results were compared with that of scanning whitelight interferometry profilometer.Both of them have a preferable consistency.

Keywords：

optical coatings； laserinduced damage threshold （LIDT）； light scattering； image processing； grey level

引言

隨著CO2激光器、化學激光器、板條激光器以及光纖激光器等各類激光器的發展，激光器功率不斷取得新的突破，高功率激光器的應用也越來越廣泛。而光學薄膜作為光學系統以及某些激光器的重要組成元素一直是激光功率提高的瓶頸[1]，光學薄膜激光損傷的判定與提高也一直是高功率激光系統中的一項關鍵技術。

國際標準協會早在1995年便頒布了ISO11254光學表面（薄膜）激光損傷閾值測試標準[2]，但該標準需要采用Nomarski相稱顯微鏡、光斑質量分析儀等設備，因操作復雜及對專業水平要求較高，并不適合企業的流水線化要求。等離子體閃光法、反射率透射率測量法、散射光強測量法等雖然一定程度上消除了顯微鏡觀察法的主觀誤差，但是因探測器成本昂貴以及對環境要求苛刻等，也決定了其并不能在光學工廠中廣泛應用。

本文按照國際標準ISO11254，建立了基于散射光測量、圖像自動處理技術以及灰度值作為判據的光學薄膜激光損傷閾值測量系統。該系統具有成本低、操作簡單、穩定性強等優點，能實現薄膜損傷的在線檢測和提高檢測效率。

1測量系統工作原理及參數

1.1光路系統及測試方法

圖1為光學薄膜激光損傷閾值測量系統光路圖。激光光源為調Q Nd：YAG激光器，波長為1 064 nm，水平線偏振，輸出模式為TEM00，脈寬為6.46 ns，工作頻率為1～10 Hz可調。衰減器由未鍍膜石英材質半波片與格蘭〖CD*2〗泰勒棱鏡組成。

經衰減后的激光經會聚透鏡聚焦后照在位于二維平移臺上的待測樣品上。測量光路由20 mW半導體激光器、小孔光闌、擴束鏡及CCD/CMOS組成。CCD/CMOS連接電腦，并由程序對激光輻照前后的圖像進行處理，以判斷損傷與否。激光光斑面積由光敏相紙進行測量，并結合高斯光束理論，對相紙測量結果進行處理與分析，以得到有效光斑面積。

測量方法采用SON1法，暗場下測量，Nd：YAG激光器采用10 Hz重頻模式，每個能量下樣品選取20個測試點，每個點輻照100次，測試點間的間隔大于3倍樣品表面處光斑直徑，以避免激光預處理效應的影響[3]。薄膜損傷閾值采用0損傷概率閾值定義，其定義如下：

1.2系統核心參數的確定

激光損傷閾值測試系統中主要參數有：激光光束空域與時域分布，單脈沖能量，激光光斑在樣品輻照點處的有效光斑面積。

我們采用半波片不同旋轉角度來調節不同脈沖能量，并將能量計放在樣品位置處進行定標，以確定半波片角度（半波片夾具上標注的角度）與樣品處激光能量的關系。有效光斑面積采用光敏相紙法結合

〖HJ1.9mm〗

高斯光束理論進行分析。激光空域與時域分布則由激光器廠家提供的參數確定。

由于采用了半波片與格蘭〖CD*2〗泰勒棱鏡組合而成的衰減器系統，由偏振理論與矩陣光學可知，經過衰減器衰減得到的輸出激光能量與輸入激光能量成余弦關系。假設波片角度為θ，經過該衰減器后的光能量為y，則y與θ之間存在函數關系：

2測量結果及分析

2.1薄膜樣品

鍍膜基片為40 mm×5 mm的K9光學玻璃，表面粗糙度小于1 nm，基片鍍膜前用酒精和乙醚混合液擦洗干凈，并用超聲波清洗機清洗。

實驗用的增透膜采用SiO2與TiO2膜堆，利用真空電子蒸鍍并輔以離子束輔助鍍制而成。膜系由12層組成，中心波長為1 064 nm。

2.2測量結果

薄膜激光損傷閾值的測量按照前述測量方法以及相關標準進行。圖3顯示了樣品激光照射前后以及圖像處理后的相關信息。由圖像可知，當待測薄膜元件發生損傷后，散射光的能量分布會發生變化，由于采用圖像處理法代替了人眼觀察法，可以更為明顯地觀察到薄膜損傷與否。將“相減”圖像與圖4中Veeco白光輪廓儀觀測到的損傷形貌對比，發現薄膜發生的損傷越嚴重，散射光的圖像灰度值改變越大，元件表面的表面粗糙度也會隨著輻照在薄膜上激光能量的變大而變大。從“相減”圖3（c）上提取出受激光照射的區域，求算該區域所有像素點的灰度值，為減小背景光對測量結果的影響，選取該區域灰度值最大的前50個像素點，對這50個像素點的灰度值取平均，表1是半波片處于不同角度時，不同能量（由1.2節中半波片角度與能量的函數關系獲得）的激光照在待測元件上時有效區域內灰度值最大的前50個像素點的平均灰度值及其損傷與否。

由表1數據可以看出，實驗測量得到的平均灰度值會隨著輻照在待測件上激光能量的增加而變大，當半波片旋轉到38°時，用白光輪廓儀觀察待測元件已經沒有損傷，測得的平均灰度值是背景光的平均灰度值。由大量實驗數據按表1方式分析處理后，確定光斑圖像有效區域內灰度值最大的前50個像素點的平均灰度值在25到33之間時為薄膜損傷的臨界區域，當該系統中平均灰度值大于33時薄膜一定會產生損傷，當灰度值小于25時則薄膜不會產生損傷，介于二者之間時則薄膜有一定概率的損傷。

由以上結論可得到該膜系損傷點數如表2所示，經過線性擬合后，得膜系激光損傷閾值為7.9 J/cm2，如圖5所示，誤差來源主要為相紙對光斑面積的測量。

3結論

構建了適用于企業的低成本、高效率的基于散射光以及圖像處理分析的光學薄膜激光損傷閾值測試系統。對樣品進行了散射法和白光輪廓儀微觀形貌觀察法的損傷閾值檢測，通過比較，發現兩種方法具有較好的一致性。

通過對散射圖像的處理，利用灰度值的大小作為判據，提高了測量效率。通過對光敏相紙測量激光光斑方法的理論與實驗分析，指出了當今部分企標的不正確性，并提出了解決方法。

參考文獻：

[1]KOECHNER W. Solidstate laser engineering[M]. [S.l.]：Springer，1999.

[2]BASU A. ISO11254：an international standard for the determination of the laserinduced damage threshold [J].SPIE，1994，2114（3）：170175.

[3]胡建平. HfO2/SiO2光學薄膜激光損傷閾值的測量[J]. 光電子·激光 2002 13（4）：356358.

[4]FOURNET C，PINOT B，GREENEN B，et al. High damage threshold mirrors and polarizers in the ZrO2/SiO2 and HfO2/SiO2 dielectric systems[J].SPIE，1992 1624： 282293.

[5]中國國家標準化管理委員會.GB/T 13739—2011 激光光束寬度、發散角的測試方法以及橫模的鑒別方法[S].北京：中國標準出版社，2012.

[6]朱耀南. 光學薄膜損傷閾值測試方法的介紹和討論[J]. 激光技術 2006 30（5）： 532535.

（編輯：劉鐵英）