光学薄膜及元件表面激光损伤的高灵敏快速在线探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学薄膜及元件的激光损伤与寿命测试领域应用，特别涉及一种光学薄膜及元件表面激光损伤的高灵敏快速在线探测方法。
【背景技术】
[0002]光学薄膜及元件的激光损伤问题一直是限制激光器向更高能量和功率发展、并影响整个激光应用系统使用寿命的主要因素之一。研究提高光学薄膜及元件的抗激光损伤阈值具有非常重要的实际意义。
[0003]进行光学薄膜及元件抗激光损伤阈值测试的前提之一是对光学薄膜及元件的表面损伤进行探测和判别，光学薄膜及元件的表面损伤探测和判别结果对于光学薄膜及元件抗激光损伤阈值测试结果准确性具有重要影响。目前实际用于光学薄膜及元件激光损伤判定的方法包括等离子体闪光法、光热偏转法、微分干涉显微镜观测法及光散射法。等离子体闪光法是根据激光辐射过程中产生的等离子体闪光作为判断损伤是否发生的依据，存在一定的非客观性，且等离子体闪光强度和光学薄膜及元件损伤程度之间并不存在定量的关系。上述因素导致等离子体闪光法用于光学薄膜及元件激光损伤判定存在着明显的不足，尤其是在光学薄膜及元件激光损伤的在线检测应用中。光热偏转法是利用激光辐射过程中辐照点位置产生热形变导致监测光束发生偏转，以此作为判定光学薄膜及元件是否被激光损伤的依据。这种方法具有较高的灵敏度，但是这也导致其会出现一些误判。
[0004]在光学薄膜及元件激光损伤测试国际标准ISO 21254(参见文献2011 “Testmethods for laser-1nduced damage threshold，，，Internat1nal Organizat1n forStandardizat1n.)中，选择微分干涉显微镜法作为光学薄膜及元件激光损伤离线检测的标准方法。这种方法依据在放大倍率100-200倍时，能否观察到损伤作为光学薄膜及元件是否损伤的判断标准。这种方法准确性较高，结果相对直观，易于比较判别，但是在实际使用中也存在一些不足之处:首先当样品的辐射点损伤不明显时，其损伤形貌难于在离线显微镜中被准确定位，由此会带来是否损伤判断的失误；其次，在微分干涉显微镜观测中，由于其照明强度相对较弱及观察面聚焦的问题，当放大倍率超过200倍时，显微成像的清晰度将退化，使得表面形貌的观察和准确判断存在困难，难于观察判别尺寸更小或微弱的损伤形貌，由此制约了这种方法的灵敏度。
[0005]作为微分干涉显微镜法的补充，国际标准ISO 21254将光散射法作为光学薄膜及元件激光损伤在线检测的标准方法。这种方法是通过比较激光辐照前后，光学薄膜及元件表面对He-Ne激光散射的强弱变化来判定被辐照表面是否发生损伤。在其它因素不变的情况下，He-Ne光散射的强度与光学薄膜及元件表面的损伤程度存在定量的关系，即光学薄膜及元件表面损伤越严重，所探测到的He-Ne光散射强度越强。作为一种弱信号检测，He-Ne散射光的探测通常采用锁相信号放大探测方法，其灵敏度较高，探测响应速率也较快。因此，He-Ne光散射法是一种相对经济实用的光学薄膜及元件激光损伤在线探测方法。但是He-Ne光散射法探测结果受辐射区域薄膜样品表面Ne-He光束的稳定性以及弱信号探测过程中的电放大等因素的影响较大，其探测结果存在一定的误差，由此制约了这种方法的广泛有效应用。
[0006]近年来，随着CCD相机技术的快速发展，研究人员开始尝试将显微镜和CCD相机结合起来使用，实时在线观察被激光辐射区域的样品表面，用于光学薄膜及元件表面激光损伤的在线判别技术。这种方法实质上与离线的微分干涉显微镜法类似，因此具有直观可靠的特点。但是在实际使用中，由于受CCD相机的响应速率和图像处理速率的制约，这种方法可实现的探测速率受到制约，只能用于相对较低的测试重频。此外，目前这种方法一般均采用损伤辐照激光作为显微成像的照明光源，在实际使用过程中受成像照明光源均匀性和稳定性的影响严重。
[0007]综上所述，尽管目前国际标准ISO 21254已对光学薄膜及元件激光损伤与寿命测试中元件表面损伤的判别方法进行了明确规定，但是，在实际工作开展中，往往只采用上述三种方法中的某种方法，而由上面的分析知道，上述三种方法目前均存在明显不足，使得现有方法探测灵敏度不理想，尤其是元件损伤的在线快速探测方面存在明显不足，随着对光学薄膜及元件激光表面损伤的判别灵敏度要求的进一步提高，急需发展具有更高灵敏度和可靠性的光学薄膜及元件激光损伤在线快速探测方法。
【发明内容】
[0008]为了克服光学薄膜及元件在激光损伤与寿命测试中其表面损伤的高灵敏度快速在线探测技术存在的缺陷，进一步提高光学薄膜及元件表面激光损伤与寿命测试结果的准确性和可重复性，本发明提供一种光学薄膜及元件表面激光损伤的高灵敏快速在线探测方法。
[0009]为了实现光学薄膜及元件表面激光损伤的高灵敏快速在线探测，本发明将He-Ne光散射法和在线显微CCD探测法结合起来，利用这两种方法各自的特点，使这两种方法既相互补充，又相互促进。首先，通过以下方法提高现有He-Ne散射光法的探测灵敏度和准确性:1)通过在传输光路中的He-Ne光束束腰等合适的位置处，采用光阑将He-Ne光束传输过程的杂散光尽可能屏蔽掉，选择合适的散射收集位置、角度和范围，及优化散射信号的锁相放大探测的参数，尽可能降低散射光信号探测值的波动，提高探测信号的稳定性；2)借助在线显微CCD成像功能，利用柱面镜和透镜等组合对He-Ne光束进行合理整形，使得在光学薄膜及元件表面被激光辐照位置处，He-Ne光束的位置和大小与激光损伤辐射光束的位置和大小尽可能一致，并且光束能量分布尽可能均匀，降低非激光损伤辐照位置散射光的影响，从而最大限度地提高探测的灵敏度和有效性。其次，借助光学薄膜及元件样品表面的被辐照位置处He-Ne光的均匀强光照明功能，使得光学薄膜及元件样品被辐照表面的在线显微CCD成像探测的对比度显著提高，从而可以准确探测到更微小或微弱的损伤，大大提高光学薄膜及元件样品表面激光损伤探测的灵敏性和准确性。
[0010]本发明所采取的技术方案如下:
[0011]光学薄膜及元件表面激光损伤的高灵敏快速在线探测方法，其以He-Ne光散射探测装置实现的He-Ne光散射探测法作为主要探测方法，以在线显微CCD探测装置实现的显微CCD成像探测法作为辅助探测方法，针对每一个测试样品点，首先采用所述的He-Ne光散射探测法作为光学薄膜及元件表面激光损伤判别的依据，若He-Ne光散射探测法的探测结果显示光学薄膜及元件表面发生损伤，则暂停He-Ne光散射探测法，记录辐射激光的脉冲数，然后利用显微CCD成像探测法的结果对He-Ne光散射探测法的探测结果进行确认，之后采用上述相同的方法进行下一个测试样品点的测试，进而完成光学薄膜及元件整个表面激光损伤的探测。
[0012]上述He-Ne光散射探测装置包括:He-Ne激光器、斩波器、聚焦透镜组、平面反射镜、x-y 二维电移台、光挡、散射光收集镜、Si光电放大器和锁相放大器；He_Ne激光器发射He-Ne激光，经斩波器产生调制He-Ne激光脉冲，进入整形聚焦透镜组，聚焦后的He-Ne激光脉冲入射到平面反射镜，通过χ-y 二维电移台调整被测试光学薄膜元件的角度，使得经平面反射镜反射后的光线以55°角度斜入射到被测试光学薄膜元件表面，并沿与被测试光学薄膜元件表面法线成55°方向反射，在反射光路中放置光挡将He-Ne反射光束挡住，在光挡后面放置散射光收集镜用于收集被测试光学薄膜元件表面产生的He-Ne散射光，散射光收集镜的光轴方向与He-Ne光束反射方向成10°?20°夹角，在散射光收集镜的后聚焦点处放置Si光电放大器，Si光电放大器产生的电信号传输到锁相放大器中，产生一个直流电压信号，经数据采集卡输入到计算机中。
[0013]上述He-Ne光散射探测法包括如下步骤:首先在激光辐射被测试光学薄膜元件表面之前，由所述He-N