基于光散射及灰度值作为判据的光学薄膜激光损伤阈值测量系统

孟令强 王青 张莉萍 齐思璐 王晓烨

摘要：

基于ISO11254国际标准，构建了基于半导体激光光散射检测光学薄膜损伤与否的光学薄膜激光损伤阈值测试系统。运用图像处理以及灰度值作为判断薄膜损伤与否的判据，对TiO2/SiO2增透膜进行了阈值测试。由图像处理可得，当光斑图像有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值在25到33之间时，该区域为薄膜损伤的临界区域，并将测量结果与在Veeco白光轮廓仪观测到的损伤形貌进行对比，具有较好的一致性。

关键词：

光学薄膜； 激光损伤阈值； 光散射； 图像处理； 灰度值

中图分类号： TH 74文献标志码： 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

随着CO2激光器、化学激光器、板条激光器以及光纤激光器等各類激光器的发展，激光器功率不断取得新的突破，高功率激光器的应用也越来越广泛。而光学薄膜作为光学系统以及某些激光器的重要组成元素一直是激光功率提高的瓶颈[1]，光学薄膜激光损伤的判定与提高也一直是高功率激光系统中的一项关键技术。

国际标准协会早在1995年便颁布了ISO11254光学表面（薄膜）激光损伤阈值测试标准[2]，但该标准需要采用Nomarski相称显微镜、光斑质量分析仪等设备，因操作复杂及对专业水平要求较高，并不适合企业的流水线化要求。等离子体闪光法、反射率透射率测量法、散射光强测量法等虽然一定程度上消除了显微镜观察法的主观误差，但是因探测器成本昂贵以及对环境要求苛刻等，也决定了其并不能在光学工厂中广泛应用。

本文按照国际标准ISO11254，建立了基于散射光测量、图像自动处理技术以及灰度值作为判据的光学薄膜激光损伤阈值测量系统。该系统具有成本低、操作简单、稳定性强等优点，能实现薄膜损伤的在线检测和提高检测效率。

1测量系统工作原理及参数

1.1光路系统及测试方法

图1为光学薄膜激光损伤阈值测量系统光路图。激光光源为调Q Nd：YAG激光器，波长为1 064 nm，水平线偏振，输出模式为TEM00，脉宽为6.46 ns，工作频率为1～10 Hz可调。衰减器由未镀膜石英材质半波片与格兰〖CD*2〗泰勒棱镜组成。

经衰减后的激光经会聚透镜聚焦后照在位于二维平移台上的待测样品上。测量光路由20 mW半导体激光器、小孔光阑、扩束镜及CCD/CMOS组成。CCD/CMOS连接电脑，并由程序对激光辐照前后的图像进行处理，以判断损伤与否。激光光斑面积由光敏相纸进行测量，并结合高斯光束理论，对相纸测量结果进行处理与分析，以得到有效光斑面积。

测量方法采用SON1法，暗场下测量，Nd：YAG激光器采用10 Hz重频模式，每个能量下样品选取20个测试点，每个点辐照100次，测试点间的间隔大于3倍样品表面处光斑直径，以避免激光预处理效应的影响[3]。薄膜损伤阈值采用0损伤概率阈值定义，其定义如下：

1.2系统核心参数的确定

激光损伤阈值测试系统中主要参数有：激光光束空域与时域分布，单脉冲能量，激光光斑在样品辐照点处的有效光斑面积。

我们采用半波片不同旋转角度来调节不同脉冲能量，并将能量计放在样品位置处进行定标，以确定半波片角度（半波片夹具上标注的角度）与样品处激光能量的关系。有效光斑面积采用光敏相纸法结合

〖HJ1.9mm〗

高斯光束理论进行分析。激光空域与时域分布则由激光器厂家提供的参数确定。

由于采用了半波片与格兰〖CD*2〗泰勒棱镜组合而成的衰减器系统，由偏振理论与矩阵光学可知，经过衰减器衰减得到的输出激光能量与输入激光能量成余弦关系。假设波片角度为θ，经过该衰减器后的光能量为y，则y与θ之间存在函数关系：

2测量结果及分析

2.1薄膜样品

镀膜基片为40 mm×5 mm的K9光学玻璃，表面粗糙度小于1 nm，基片镀膜前用酒精和乙醚混合液擦洗干净，并用超声波清洗机清洗。

实验用的增透膜采用SiO2与TiO2膜堆，利用真空电子蒸镀并辅以离子束辅助镀制而成。膜系由12层组成，中心波长为1 064 nm。

2.2测量结果

薄膜激光损伤阈值的测量按照前述测量方法以及相关标准进行。图3顯示了样品激光照射前后以及图像处理后的相关信息。由图像可知，当待测薄膜元件发生损伤后，散射光的能量分布会发生变化，由于采用图像处理法代替了人眼观察法，可以更为明显地观察到薄膜损伤与否。将“相减”图像与图4中Veeco白光轮廓仪观测到的损伤形貌对比，发现薄膜发生的损伤越严重，散射光的图像灰度值改变越大，元件表面的表面粗糙度也会随着辐照在薄膜上激光能量的变大而变大。从“相减”图3（c）上提取出受激光照射的区域，求算该区域所有像素点的灰度值，为减小背景光对测量结果的影响，选取该区域灰度值最大的前50个像素点，对这50个像素点的灰度值取平均，表1是半波片处于不同角度时，不同能量（由1.2节中半波片角度与能量的函数关系获得）的激光照在待测元件上时有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值及其损伤与否。

由表1数据可以看出，实验测量得到的平均灰度值会随着辐照在待测件上激光能量的增加而变大，当半波片旋转到38°时，用白光轮廓仪观察待测元件已经没有损伤，测得的平均灰度值是背景光的平均灰度值。由大量实验数据按表1方式分析处理后，确定光斑图像有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值在25到33之间时为薄膜损伤的临界区域，当该系统中平均灰度值大于33时薄膜一定会产生损伤，当灰度值小于25时则薄膜不会产生损伤，介于二者之间时则薄膜有一定概率的损伤。

由以上结论可得到该膜系损伤点数如表2所示，经过线性拟合后，得膜系激光损伤阈值为7.9 J/cm2，如图5所示，误差来源主要为相纸对光斑面积的测量。

3结论

构建了适用于企业的低成本、高效率的基于散射光以及图像处理分析的光学薄膜激光损伤阈值测试系统。对样品进行了散射法和白光轮廓仪微观形貌观察法的损伤阈值检测，通过比较，发现两种方法具有较好的一致性。

通过对散射图像的处理，利用灰度值的大小作为判据，提高了测量效率。通过对光敏相纸测量激光光斑方法的理论与实验分析，指出了当今部分企标的不正确性，并提出了解决方法。

参考文献：

[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光学薄膜激光损伤阈值的测量[J]. 光电子·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]中国国家标准化管理委员会.GB/T 13739—2011 激光光束宽度、发散角的测试方法以及横模的鉴别方法[S].北京：中国标准出版社，2012.

[6]朱耀南. 光学薄膜损伤阈值测试方法的介绍和讨论[J]. 激光技术 2006 30（5）： 532535.

（编辑：刘铁英）