一种激光损伤阈值测试新方法

葛锦蔓，苏俊宏，陈 磊，吕 宁

1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094 2.西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021

一种激光损伤阈值测试新方法

葛锦蔓1,2，苏俊宏1, 2*，陈 磊1，吕 宁2

1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094 2.西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021

随着激光器朝向大功率、高能量的方向发展，激光损伤阈值成为了衡量光学元件抗激光损伤能力的重要参数之一，因此，能否准确地测量出光学元件的激光损伤阈值成为研究的重点。而光学元件激光损伤阈值测试的关键是能否准确地判别光学元件是否发生激光损伤。为解决目前常见的损伤判别方法存在的精度低、识别时间长、适用材料范围窄、操作复杂等不足，提出了一种新的激光损伤的判别方法，即等离子体诊断法。以K9玻璃为例，搭建激光损伤阈值的测试平台，利用光纤光谱仪采集强激光辐照K9玻璃时所产生的激光等离子体闪光光谱，并对该光谱进行诊断分析，将该光谱中是否含有待测试光学元件材料中特征元素的光谱峰作为其是否收到激光损伤的标准。同时，对K9玻璃进行了激光损伤阈值的测试，并将测试结果与等离子体闪光法和显微镜法所测的激光损伤阈值进行了对比分析。实验表明，提出的等离子体诊断方法的判别精度高、速度快、测试装置结构简单，易实现在线测量，可以大大地提高光学元件激光损伤阈值测试工作的效率。

激光损伤； 激光损伤阈值； 等离子体； 光谱分析

引 言

各种高功率激光系统和强激光武器的发展，给光学元件提出了更高的抗激光损伤的要求。因为一旦光学元件遭到破坏，就会降低光束质量，并且会影响系统的最优性能的发挥，甚至还会产生连锁反应，导致其他元件的损伤，最终导致整个激光系统无法工作[1]。因此，对光学元件的激光损伤阈值的检测就显得尤为重要。而如何准确地判断被测元件是否损伤成为了测试的关键之一。

常见的激光损伤判定方法有相衬显微镜观测法[2]、散射光强法[3-4]、光热偏转法[5]、光声法[6]、等离子体闪光法等[7]。每种方法都有其优势和不足。相衬显微镜法观察准确，但人为因素较大； 散射光强法的优点是能实现在线测量，提高工作效率，缺点是对被测样品表面的光洁度要求高； 光热偏转法的优点是对试样不需做专门处理，但对反射光、散射光不敏感； 而等离子体闪光法因其结构简单，操作方便而被大家公认，但是由于用肉眼观察，因此人为因素太大，由于大气击穿而易产生误判。

但等离子体光谱法已经成功地应用于固体和液体中元素的分析以及光电对抗[8]中。虽然由于大气击穿会造成等离子体闪光法的误判，但是大气中含量最多的是N和O元素，而常用的光学元件以及光学薄膜中多数含有Si元素和Hf，Ta等特征元素，因此，对激光等离子体的光谱进行诊断分析，可以更准确地判断测试光学元件是否发生激光诱导损伤。

本文提出一种等离子体诊断法，通过对等离子体闪光的光谱进行采集后进行光谱诊断分析，以是否出现所测光学元件中所含特征元素的光谱峰为损伤判别依据，并以K9玻璃为例，准确地测得其激光损伤阈值，并将此方法与等离子体闪光法和显微镜法进行对比分析。

1 测试原理及装置

激光与物质间相互作用的机理主要有宏观角度的热效应[9]以及微观角度的多光子电离和雪崩电离[10]这两种。其中热吸收主要考虑的是光学元件自身的材料属性，包括热膨胀系数、吸收系数、热传导系数等等[11]。而从微观角度来说，激光作用于物质表面，由于物质吸收激光中的光子能量形成了高温高压的激光等离子体[12]。高温高密度的等离子体中存在着自由运动的电子、离子以及中性原子、分子和团簇等，各个粒子之间由于运动碰撞而产生自发辐射。当自由电子在运动过程中靠近离子时，受到离子库仑力的作用，其运动速度和方向发生变化，同时辐射出光子，如图1(a)所示，这种辐射即为自由-自由辐射，也成为轫致辐射，其辐射的频率为

(1)

hν=Ke+(Ei-Em)

(2)

式中，h为普朗克常量，Ke是复合发生前自由电子的动能，Ei是电离能，Ei-Em表示从Em能级到电离态的能量之差。轫致辐射和复合辐射所产生的光谱是连续谱。而在强激光辐照到被测件表面时，被测样品材料中处于价带的电子跃迁到了导带，形成多光子吸收的初始电子。初始电子在继续吸收激光能量后，发生了雪崩电离，同时由于自由电子间的相互碰撞，受激的原子中处于高激发态上的电子由于自发跃迁或碰撞解激发降到低激发态或基态(E=0)上时，形成了光谱中的线状谱，不同元素的线状谱，由于能极差的不同造成了线状谱的位置不同。

图1 激光等离子体辐射机制的示意图

因此，当激光辐照光学元件时，若光学元件发生损伤，那么在等离子体闪光的光谱中，必然存在光学元件材料中所含特征元素的光谱峰。那么，通过对等离子体光谱进行诊断，识别等离子体闪光的光谱中是否存在被测光学元件材料中所含特征元素的光谱峰，即可准确判别光学元件是否损伤。

实验装置如图2所示，激光器为基模(TEM00)的Nd∶YAG调Q激光器，输出波长为1 064 nm，脉宽(FWHM)为10 ns，输出的激光经激光扩束系统和衰减系统后，由透镜聚焦到样品表面，采用刀口扫描法测得作用在样品表面的有效光斑直径(1/e2半径)为1 mm。测试样品置于一个由步进电机驱动的二维平移台上。激光器的单次脉冲能量经3组共15片衰减片组成的衰减系统进行衰减，并由一个能量计实时进行激光输出能量测试。根据国际标准ISO 21254测试规范，采用1-on-1的方式对样品进行了激光辐照，即采用脉冲激光器对样品进行单脉冲辐照，并且样品的每一个被测试的区域处只辐照一次。采用ULS3648型Avantes光谱仪，测试范围为240～1 075 nm，对聚焦后的样品所发出的闪光光谱进行采集，分辨率为0.09 nm，并采用同步触发方式。

图2 等离子体诊断法的实验装置示意图

2 结果与讨论

本文利用等离子体诊断法对光学元件中最常用的K9玻璃进行激光损伤阈值的测量。实验选用2个直径φ30 mm，厚2 mm的K9玻璃样品，根据国际标准ISO 21254测试规范，采用1-on-1的方式对样品进行了激光辐照，并采用零几率损伤定义将样品未损伤的最小激光能量密度定义为该样品的损伤阈值。用8个不同的激光能量密度对样品进行辐照，相同激光能量密度下辐照4个不同位置。本实验同时采用等离子体诊断法、显微镜法以及等离子体闪光法这3种不同的损伤判别方法进行样品的激光损伤阈值的测试，并对测试结果进行了对比分析。

在测试过程中，为了避免背景光的影响，首先使用光纤光谱仪对环境光谱进行测量，然后实时采集不同激光能量密度辐照下K9玻璃的等离子体闪光光谱，最后利用MATLAB编程对光谱数据进行去背景、滤波、光谱峰识别和光谱峰高度及其半高宽的提取等一系列处理分析。

图3(a)是K9玻璃样品在36 J·cm-2的激光能量密度辐照下所采集到的等离子体闪光的光谱图。从图中可以明显看出，存在连续光谱和和线状谱，其中连续光谱来自热电子的轫致辐射和电子-离子复合过程，而线状谱即为原子-离子谱，表明光谱中所存在的元素[13]。经过对线状谱的诊断，我们发现了Si元素在614.5 nm处的谱峰，这说明样品已经损伤。同时，光谱图中还存在有很高的N峰和O峰，这是强激光辐照下产生的激光等离子体发生了快速膨胀，导致周围空气被压缩击穿的结果[14]。而图3(b)则为K9玻璃样品在7.5 J·cm-2的激光能量密度辐照下采集到的等离子体光谱，经过光谱分析后发现，没有Si峰，只有N峰和O峰。这说明，在7.5 J·cm-2的激光能量密度辐照下，K9玻璃样品并没有损伤，而只是空气被强激光击穿而导致的等离子体闪光。因此，用本文提出的等离子体诊断法可以准确地诊断出样品是否损伤，避免等离子体闪光法中仅空气击穿而造成的误判。

对不同激光能量密度辐照下采集到的激光等离子体光谱进行分析发现，Si元素的614.5 nm处的这个谱峰，随着激光能量密度的不断增加，该光谱峰的峰值和半高宽均呈现正相关关系，反映了激光与物质的相互作用结果(如图4所示)。

图3 激光等离子体诊断结果激光能量密度为36 J·cm-2 (a)和7.5 J·cm-2 (b)

图4 不同激光能量密度辐照下的光谱分析结果(在614.5 nm处的Si峰)

Fig.4 Results of spectral analysis under laser radiation with different laser energy densities (spectrum of Si at 614.5 nm)

利用ECLIPSE 150型尼康光学显微镜对不同激光能量密度辐照下的K9玻璃的损伤形貌进行测试，放大倍率均为100倍，在7.5 J·cm-2的激光能量密度的辐照下，K9玻璃样品并没有发生损伤，这与等离子体诊断法的结果是一致的。

对比等离子体诊断法、显微镜法和等离子体闪光法测得的K9玻璃的激光损伤阈值，见表1所示。结果表明，等离子体诊断法测出的K9样品的激光损伤阈值的结果与显微镜法测试的激光损伤阈值是一致的，而等离子体闪光法所测出的K9玻璃的激光损伤阈值偏低。这说明等离子体诊断法，可以很好地避免等离子体闪光法中对空气击穿的误判，能够准确地测出被测元件的激光损伤阈值。

表1 不同方法测试K9玻璃LIDT(激光损伤阈值)的对比

3 结 论

基于激光与物质的相互作用机理，在强激光辐照下，光学元件会产生等离子体闪光现象。采用本文提出的等离子体诊断法，对K9玻璃进行了激光损伤阈值的测试，并与等离子体闪光和显微镜法测得的K9玻璃的激光损伤阈值进行了对比。结果表明，采用等离子体诊断法与国标规定的显微镜法所测得的测试光学元件的激光损伤阈值是一致的。这种激光损伤判别方法成功地克服了以往检测中易产生误判的缺点，判别性能好，准确率高而且速度快，并且被测件的种类范围宽、装置结构简单，常规设备组装即可实现本方法，同时可以实现在线测量，大大提高测试工作的效率，对激光损伤阈值的测试具有重要的意义。

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(Received Aug.30, 2015; accepted Dec.15, 2015)

*Corresponding author

A New Method for Measurement of Laser-Induced Damage Threshold

GE Jin-man1,2, SU Jun-hong1,2*, CHEN Lei1, LÜ Ning2

1.School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, 2.Open Key Laboratory of Photoelectric Testing and Instrument Technology of Shaanxi Province, Xi’an Technological University, Xi’an 710021, China

With the development of the laser towards high-power and high energy, laser-induced damage threshold of optics becomes one of the important parameters to evaluate the laser damage resistance of optics.Therefore, accurately measuring of the laser-induced damage threshold optics become the focal point studied.And the key to accurately measuring of the laser-induced damage threshold is whether the laser-induced damage can be accurately identified when it occurs.In order to solve low accuracy, long testing time, narrow scope of applications and complex operation of the common damage identification methods, a new testing method to diagnose the laser-induced damage of optics, called plasma diagnosis, is proposed in this paper.Based on this new method, the testing platform was set up, and the spectrum obtained by fiber spectrometer was analyzed under laser radiation by different laser energies.Take whether the spectral lines of the feature element contained in the measured optics occur as standard.The laser-induced damage threshold of K9 glass has been tested, and the test result was compared to that measured by the plasma flash method and the microscope method.The results show that, the plasma diagnosis method proposed in this paper has high-accurate judgment, high-testing speed, simple testing equipment, and easy to realization, which can greatly improve the testing efficiency of the laser-induced damage threshold of optics.

Laser damage; Laser-induced damage threshold; Plasma; Spectrum diagnosis

2015-08-30，

2015-12-15

国家自然科学基金项目(61378050)，国际科技合作项目(2013DFR70620)资助

葛锦蔓, 女，1984年生，南京理工大学电子工程与光电技术学院博士研究生 e-mail：gjm129@163.com *通讯联系人 e-mail: sujunhong@xatu.edu.cn

TH843

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1296-04