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激光損傷閾值檢測的英文名稱是Laser-Induced Damage Threshold(LIDT)，損傷閾值是高等級光學(xué)器件的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，常見的標(biāo)注方式是連續(xù)激光輻射下的損傷閾值單位W/cm²，以及脈沖激光輻射下的損傷閾值單位J/cm²。

以激光損傷的簡單原因來看：

對于連續(xù)波激光輻射誘導(dǎo)的激光損傷，一般是激光誘導(dǎo)的熱累積在光學(xué)基片內(nèi)部，或者在表面鍍膜，在光學(xué)鏡片間的膠結(jié)劑層等等，當(dāng)熱累積到一定程度且來不及傳導(dǎo)出去時(shí)會發(fā)生的損傷。

而脈沖激光輻射誘導(dǎo)的激光損傷，相對而言就會復(fù)雜一些，對于納秒或更短的短脈沖激光，多數(shù)是由于高峰值功率脈沖激光的電離擊穿效應(yīng)；而毫秒以上的長脈沖和連續(xù)波激光類似，多數(shù)是基于熱累積效應(yīng)造成的損傷，當(dāng)然還有很多情況是擊穿效應(yīng)和熱累積效應(yīng)混合造成的損傷，而脈沖激光的脈寬，波長，能量，重復(fù)頻率，橫模的模式都是影響到激光損傷的參數(shù)。

我司代理的法國Quantel公司（隸屬于Lumibird公司）很早以前就建立了激光損傷閾值檢測實(shí)驗(yàn)室并承接商業(yè)化的激光損傷閾值測試服務(wù)。當(dāng)然，客戶也可以利用我們提供的設(shè)備，自己組建激光損傷閾值實(shí)驗(yàn)平臺。

測試采樣方法上常見的有：

• 1-on-1測試：即每個(gè)測試點(diǎn)只受到一次激光照射，以確定損傷閾值。這是一種常用的激光損傷閾值測試方法。

• S-on-1測試：S-on-1模式就是在單個(gè)位點(diǎn)上輻照多個(gè)脈沖，然后獲得損傷的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，

• R-on-1模式：則是對單點(diǎn)進(jìn)行漸進(jìn)式提升能量測試直至發(fā)生損傷。

一般來說，往往需要進(jìn)行損傷閾值檢測的光學(xué)樣片其本身的價(jià)值已經(jīng)較高，也意味著其表面加工面形，透過率或反射率等等通常已經(jīng)做到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，那么我們用高功率或高能量的激光輻射樣片后，所造成的損傷將可能很難被肉眼或常規(guī)成像系統(tǒng)所觀測鑒別到。

那么用顯微鏡放大觀察呢？哪怕我們采用顯微鏡放大觀察被擊打后的點(diǎn)位，由于反差小，一般也很難鑒別到損傷點(diǎn)。此時(shí)一個(gè)重要的方法是提升觀測對比度。也就是說往往常規(guī)明場照明的顯微鏡無法完成激光損傷點(diǎn)鑒別，而采用DF暗場顯微鏡（Dark Field Microscope)乃至DIC微分干涉差顯微鏡(Differential Interference Contrast Microscope)則可以明顯的提升對比度，將損傷點(diǎn)清晰有效的判別出來。以上顯微鏡均有通用型商品或組件可供集成。

還有一種有效的損傷點(diǎn)鑒別手段是利用低功率激光（一般選HeNe激光）照射被測點(diǎn)，即使被測點(diǎn)僅存在很小的損傷，此被測點(diǎn)對于上述探測激光的散射強(qiáng)度相對于未損傷點(diǎn)也會發(fā)生明顯的變化，當(dāng)我們設(shè)置好光路檢測這個(gè)明顯變化的散射信號則可以有效的鑒別損傷。

以上是商業(yè)公司標(biāo)準(zhǔn)的測試手段。以下還有一些拓展的測試方式：

光柵掃描測試：我們知道，為了達(dá)到較高的功率密度或能量密度，用于檢測損傷閾值的激光打到待測樣品的光束尺寸是較小的，也就是一次激光擊打僅僅是對于一個(gè)微區(qū)進(jìn)行檢測，而對于高等級的光學(xué)器件，往往需要對樣片的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行全面覆蓋測試，此時(shí)就可以采用往復(fù)掃描法，對每個(gè)位置均進(jìn)行擊打與采樣記錄，后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用和計(jì)算完成對于樣件上整個(gè)工作區(qū)域的全面評價(jià)。

泵浦-探測技術(shù)：對于更高功率或能量的激光應(yīng)用，激光可能對于樣片產(chǎn)生三維的損傷，也就是說損傷可能深入到樣片內(nèi)部很多。此時(shí)泵浦探測法可以成為一個(gè)有效的檢測手段，簡單來說就是一束高能激光用于擊打樣片產(chǎn)生損傷，而我們可以同時(shí)較小比例的引出另外一路激光，將其倍頻到可見光（一般倍頻到綠光以匹配硅基成像相機(jī)高靈敏度的波段）做為探測光，此時(shí)這一束綠色的探測光就可以作為一個(gè)超高亮度照明光（比普通明場照明亮度高上萬乃至更多），照亮了縱向損傷區(qū)域，便于顯微鏡加相機(jī)拍攝整個(gè)的縱向損傷區(qū)域的圖樣。 進(jìn)一步的，由于探測光也是脈沖光，且和泵浦光是同時(shí)產(chǎn)生的，當(dāng)我們在探測光光路內(nèi)插入光學(xué)延遲線后，可以非常精密的控制探測光相對于泵浦光的時(shí)間延遲，也就是說我們還可以利用泵浦探測術(shù)精密的拍攝高能激光輻射后某一個(gè)特定時(shí)刻的損傷形態(tài)，當(dāng)我們多次重復(fù)以上不同延遲時(shí)間的泵浦探測實(shí)驗(yàn)后，則可以統(tǒng)計(jì)描繪出樣片縱向區(qū)域各個(gè)時(shí)刻的損傷變化趨勢圖樣。

接下來，我們就用戶自行組建激光損傷閾值測試平臺可能遇到的一些問題做一些介紹：

用于誘導(dǎo)激光損傷的激光器如何選擇：

對于連續(xù)波激光而言，相對容易選擇，只要在需要檢測的波段選擇足夠高功率的激光器即可，比如遠(yuǎn)紅外波段一般選二氧化碳CO2 激光，近紅外波段一般選光纖激光，可見光波段一般選固態(tài)激光，功率上看需要，瓦量級到幾百瓦量級都算常見，特殊應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室甚至可以采用千瓦級激光來自建系統(tǒng)。

圖1.激光光斑尺寸與漏采樣的關(guān)系

這里面需要提及的一點(diǎn)是，如預(yù)算允許，選擇激光功率較高一些一般不會錯(cuò)。以上圖樣片為例，如果要做到同等的激光功率密度，功率低的激光往往作用到樣片上的光斑尺寸會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高功率的激光（如上圖的三個(gè)并列小光斑作用區(qū)域和三個(gè)并列大光斑作用區(qū)域），如果紅色x點(diǎn)位都是樣片的缺陷點(diǎn)（也就是樣片上損傷閾值低的點(diǎn)位）；很明顯高功率大光斑的激光擊打下，其漏采樣的危險(xiǎn)性會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低功率小光斑的激光。從經(jīng)驗(yàn)上看，有此局部存在低損傷閾值點(diǎn)問題的樣片，其損傷閾值由于漏采樣而產(chǎn)生的損傷閾值測量偏差可能高達(dá)數(shù)倍甚至10倍以上（也就是說低損傷閾值的點(diǎn)位如果出現(xiàn)漏采樣問題的話，損傷閾值測試結(jié)果可能虛標(biāo)10倍或更多）。所以，為了盡量規(guī)避漏采樣問題，建立激光損傷檢測實(shí)驗(yàn)室時(shí)，選用預(yù)算允許范圍內(nèi)較高功率且原始光斑較大的激光可能更為有利。當(dāng)然，為了徹*規(guī)避漏采樣問題，多花時(shí)間采用光柵掃描法可以做到覆蓋全靶面，而此時(shí)高功率大光斑仍然有利，因其可以更短的時(shí)間完成mapping。

這一知識點(diǎn)對于脈沖激光損傷閾值測試同樣有效。

下面，我們以法國Quantel(lumibird子公司）的納秒脈沖YAG激光器為例：看看對于客戶自建LIDT激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測平臺在納秒脈沖激光器上如何選擇：

以法國Quantel的Qsmart系列中高能量納秒脈沖激光器來看，其共有的特點(diǎn)是：

• 倍頻模塊快速拆裝切換，無需調(diào)校光路

• 自動相位匹配

• 操作簡便，容易維護(hù)

從型號來看，分成Qsmart中等能量系列和Qsmart HE高能量系列，簡單參數(shù)如下：

從選型上看，由于考量脈沖激光損傷閾值測試主要考慮的是激光能量密度，我們先選取幾個(gè)典型型號列舉一下其各自的能量密度（注：由于所有光斑均為高斯光斑，其能量密度計(jì)算法=（激光能量/光斑面積）*2，運(yùn)算后

從采購預(yù)算上看，最高型號Qsmart 2300與*低型號Qsmart 450價(jià)格相差數(shù)倍，而從能量密度上看相差不到一倍。如果初建實(shí)驗(yàn)室，中等能量的Qsmart 850是較常用的激光,而Qsmart 450是*經(jīng)濟(jì)的一款實(shí)驗(yàn)用機(jī)。

而預(yù)算較充裕的話，可以考慮選擇Qsmart 1500或Qsmart 2300，突出的是述高能量和較大光斑共存的優(yōu)勢可更好的規(guī)避漏采樣。

另外，還要說明的是不是說現(xiàn)在計(jì)算的2-4 J/cm2 就是本設(shè)備能量密度的極限，我們可以簡單的利用透鏡聚集，把能量密度再提升數(shù)倍，以適合更多的樣片測試。

采用S-on-1,R-on-1,光柵掃描測試法時(shí)，由于需要很多發(fā)激光脈沖參與，重復(fù)頻率較高的20Hz型號比較建議采用。

簡單來講，就是在預(yù)算范圍內(nèi)，選擇能量較高，重復(fù)頻率較高的激光比較適合。

激光功率能量計(jì)與激光光束品質(zhì)分析儀的選擇。

我們知道，脈沖激光器的激光能量隨時(shí)有微小變化的，而且其光斑形狀也可能在中長期有漸變。我們可以在光路內(nèi)增加一片不鍍膜的石英光楔，石英光楔起到的作用是透過大多數(shù)激光能量用于損傷測試，而光楔前表面會反射大約4%-5%的能量到后續(xù)激光能量計(jì)加光斑分析儀組合包。所謂組合包，就是我們可以后續(xù)再加一片光楔，分出剛才4%能量中的96%約等于原始激光3.84%的能量給激光能量探頭，則此能量探頭可即時(shí)監(jiān)測當(dāng)前激光能量值?，F(xiàn)在最后還剩下4%*4%=0.16%的能量，我們正好把這些殘余能量輸送進(jìn)激光光束品質(zhì)分析儀，用于即時(shí)監(jiān)測當(dāng)前激光光束的品質(zhì)，所有激光能量一點(diǎn)都沒浪費(fèi)，物盡其用。

在此種架構(gòu)上，推薦以色列Ophir的激光功率能量計(jì)和美國Spiricon的激光光束品質(zhì)分析儀的搭配。

一方面原因是以色列Ophir強(qiáng)項(xiàng)在激光功率能量測試，美國Spiricon強(qiáng)項(xiàng)在激光光斑品質(zhì)分析儀，在各自領(lǐng)域均處于業(yè)界標(biāo)*。因其強(qiáng)大的公信度，商家在出具的測試報(bào)告中注明采用以上Ophir/Spiricon廠家的設(shè)備進(jìn)行測試，會很大的提升激光損傷閾值檢測LIDT的用戶信任度。

另一個(gè)原因是以色列Ophir全資收購美國Spiricon后，可將Ophir的激光功率能量測試數(shù)據(jù)無痕融入到Spiricon的BeamGage軟件中，當(dāng)我們采用前面描述的石英光楔1采樣4%-5%激光后，再利用石英光楔2導(dǎo)引進(jìn)Ophir的功率計(jì)加Spiricon激光光束品質(zhì)分析儀組合。用戶可以在Spiricon的BeamGage激光光束品質(zhì)分析界面直接看到已經(jīng)歸一化計(jì)算好的當(dāng)前激光光斑的所有參數(shù)，諸如激光光束直徑，激光能量，激光能量密度等等，等等。用戶如果采購BeamGage Professional專業(yè)版的話，還有望直接調(diào)用并融合BeamGage的輸出報(bào)告到自己編寫的激光損傷預(yù)置測試與報(bào)告APP內(nèi)，實(shí)現(xiàn)測試軟件與硬件的全融合。

實(shí)驗(yàn)室自建激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測平臺舉例：

首先分析一個(gè)自組LIDT激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測系統(tǒng)

1) 激光器上，如前述根據(jù)預(yù)算選擇功率或能量較高的激光，比如Qsmart 850或者Qsmart 2300

2) 接著進(jìn)入一個(gè)shutter激光快門再加偏振式可調(diào)衰減器，在這里可能有客戶有疑問既然Qsmart 系列Nd:YAG激光器本身就有控制器,通過控制閃光燈，Q開關(guān)等時(shí)序控制，同樣也可以控制何時(shí)輸出光脈沖以及輸出多大的能量，為什么還要增加一套偏振式連續(xù)可調(diào)諧激光衰減器以及外置的Shutter激光快門呢。簡單講，對于所有激光器而言，在額定輸出狀態(tài)時(shí)其系統(tǒng)熱平衡是最佳保持狀態(tài)，此狀態(tài)下激光能量輸出*穩(wěn)定，光斑形態(tài)保持最佳且激光器的壽命最長，我們在后續(xù)光路上增加的偏振式連續(xù)可調(diào)諧激光衰減器以及外置的Shutter激光快門是用來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧激光能量與激發(fā)時(shí)刻功能的同時(shí)，保持激光器額定工作輸出狀態(tài)。

3) 偏振控制器和聚焦鏡用于調(diào)整光斑

4) 后續(xù)一個(gè)光楔反射4%-5%的激光能量到激光參數(shù)監(jiān)控包里面（綠色框部分），其余能量用于誘導(dǎo)損傷

5) 進(jìn)入激光參數(shù)監(jiān)控包（Ophir/Spiricon)包含激光功率能量計(jì)，激光光斑品質(zhì)分析儀和一個(gè)接示波器的快速光電管，可以記錄每一發(fā)激光脈沖的能量，光斑大小，指向穩(wěn)定性，模式穩(wěn)定性，脈沖寬度與脈寬穩(wěn)定性等等）

6) 樣品臺建議基于電移臺的架構(gòu)以及PCU電移臺定位掃描控制器

7) 配置DF暗場或DIC微分干涉差顯微鏡作為損傷檢測組件加上電腦形成一套自組LIDT激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測系統(tǒng)

另外，以同濟(jì)大學(xué)物理系精密光學(xué)工程研究所研發(fā)組建的一套激光誘導(dǎo)損傷閾值檢測平臺為例，說明一下還可以如何拓展，（圖片引用于《精密光學(xué)工程》第30卷第21期《脈沖激光損傷閾值測量技術(shù)及光學(xué)元件損傷性能》2022年11月）

這是一套相當(dāng)復(fù)雜的多功能系統(tǒng)，對于客戶來說，可以采用模塊化搭積木的方式逐步搭建系統(tǒng)，豐富功能。以下我們稍作解析。

首先是燈泵Nd:YAG laser A主激光器，初期可以只采購一臺0.5J到2J級別（例如Qsmart 450, QSmart 1500等型號），10-20Hz燈泵Nd:YAG激光器做為Nd:YAG laser A主光源，配齊二倍頻加三倍頻模塊，則可涵蓋1064nm,532nm,355nm測試波長，視要求再考慮是否繼續(xù)增加266nm四倍頻模塊，213nm五倍頻模塊。 而另外一臺聯(lián)用的Nd:YAG laser B激光可放在相當(dāng)靠后的計(jì)劃再搭配，加上美國SRS公司DG645 可做兩臺YAG激光器前后激光脈沖的時(shí)序控制。

繼續(xù)分析Nd:YAG laser A及后續(xù)光路，這就是一套典型的泵浦探測架構(gòu)，Nd:YAG laser A紅色光路輸出的部分指的是1064nm基頻泵浦光，PBS偏振式激光分束器大致是一套基于偏振片的連續(xù)可調(diào)諧激光衰減器，好處是可以在0-100%連續(xù)調(diào)節(jié)激光能量，然后經(jīng)過波片與高反鏡導(dǎo)入光路中的分束器Splitter即是前文所提及的石英光楔，導(dǎo)引少部分激光進(jìn)激光能量計(jì)和激光光束品質(zhì)分析儀組合隨時(shí)監(jiān)測當(dāng)前激光所有關(guān)鍵參數(shù)。

接著進(jìn)入一個(gè)激光快門shutter，保持激光器可以時(shí)刻維持額定工作輸出狀態(tài)。

綠色光路部分是1064nm激光經(jīng)過倍頻形成532nm綠光作為探測光，之所以選用532nm波長是因?yàn)楹罄m(xù)的CCD探測器其量子效率峰值大致在綠光波段。532nm探測光繼續(xù)經(jīng)過一個(gè)偏振分束器，分成兩路正交的偏振光，這兩路正交的偏振探測光是和左下方CCD1+microscope與CCD2+microscope聯(lián)用的，目的是架構(gòu)一套自組的DIC微分干涉差顯微鏡，拍攝被測器件縱向損傷圖樣。

綠色光路里的兩套光學(xué)延遲線delay line 1與delay line 2可以用卓立漢光的精密電移臺組建，用于調(diào)整泵浦光與探測光的時(shí)間延遲。

接下來我們看到紅色泵浦光與綠色探測光會合，此前需要相當(dāng)耐心的光路調(diào)節(jié)以保證兩束光完*交匯。在這里我們還看到一套2軸或3軸的電動位移臺，可以同樣考慮卓立漢光的電移臺，用于驅(qū)動樣片位置掃描，實(shí)現(xiàn)改變采樣點(diǎn)與前文所述光柵掃描功能。

再向左邊看就是前文提及的套自組的DIC微分干涉差顯微鏡，其中CCD2+microscop光路上我們還看到一個(gè)綠色的上下箭頭，指的是實(shí)現(xiàn)DIC微分干涉條件時(shí)需要的位置微調(diào)，可采用卓立漢光高精度手動或電動的位移臺。

而右下部分是并列的一套基于HeNe激光加CCD的激光散射法損傷鑒別模組，氦氖激光器部分可以考慮采用美國Laser Pacific產(chǎn)品。

繼續(xù)說左上部分Nd:YAG laser B，實(shí)際上，可以看成一套削減功能的Nd：YAG laser A,

而A激光與B激光做時(shí)序控制配合可以拓展多種應(yīng)用。

返回我前述我們提及的模塊化設(shè)計(jì)與搭建思路，實(shí)際上對于一個(gè)初建實(shí)驗(yàn)平臺，如果經(jīng)費(fèi)預(yù)算不足的話，大可以選用Qsmart 450-20Hz 作為Nd:YAG laser B，匹配一套Ophir 公司 Beam Splitter 分束器加VEGA與PE50BB-DIF-C激光功率能量計(jì)與美國Spiricon 的BGS-USB3-SP932U激光光束品質(zhì)分析儀做激光參數(shù)采集與監(jiān)測，后續(xù)匹配卓立漢光光學(xué)平臺，光具座，電移臺，波片，分束器等組建樣片加持與位置掃描子系統(tǒng)，美國laser Pacific HeNe激光器自組一套基于激光散射法的損傷鑒別組件。以上即可自建一套經(jīng)費(fèi)*節(jié)省的激光損傷閾值檢測系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上逐漸增加諸如DIC微分干涉差顯微鏡，泵浦探測檢測系統(tǒng)等多種功能演進(jìn)和拓展，實(shí)現(xiàn)有序良性的發(fā)展。

同樣從模塊化的思路，實(shí)際上還可以拓展到其他檢測術(shù)的聯(lián)用，我們接著舉個(gè)例子，比如說，如下圖，一臺Qsmart 450 接真空腔室做PLD脈沖激光沉積應(yīng)用

我們知道，脈沖激光沉積PLD是利用高能量激光脈沖將靶材表面一小部分電離，打出來的等離子體濺射到對面的基材上實(shí)現(xiàn)激光濺射鍍膜。好，現(xiàn)在請您設(shè)想，如果這個(gè)靶材就是我們的激光損傷閾值待測樣片呢？高能激光電離樣片表面，產(chǎn)生的等離子體會同時(shí)輻射光信號，我們采用卓立漢光的LIBS激光誘導(dǎo)解離光譜儀測量這個(gè)光譜，如果光譜內(nèi)檢測到樣片基材或其上面增透膜或增反膜的相應(yīng)原子光譜峰；已知真空室高度清潔，樣片表面在進(jìn)入真空室前也高度清潔，我們僅在激光脈沖擊打后才測到了樣片基材或者其表面鍍膜對應(yīng)的原子光譜峰，不正好證明了此激光能量下，在樣片表面介質(zhì)膜或基材本身上實(shí)現(xiàn)了激光損傷，對應(yīng)的當(dāng)前激光能量值不就是此介質(zhì)膜或基材的激光損傷閾值么？此方式的好處是，可以完*省卻DIC微分干涉差顯微鏡或者激光散射檢測組件。以上架構(gòu)就是所謂脈沖激光沉積PLD，激光誘導(dǎo)裂解光譜LIBS與激光損傷閾值檢測LIDT原位聯(lián)用系統(tǒng)。

再進(jìn)一步說開來，如上圖真空室具備了，激光誘導(dǎo)等離子體云也具備了，在真空室腔體的另外一個(gè)出口還可以考慮增加一套質(zhì)譜檢測儀，同樣可以原位檢測激光誘導(dǎo)損傷后濺射出的碎片組分，比起激光誘導(dǎo)裂解光譜LIBS技術(shù)在的定量分析上尚未完*成熟而言，MS質(zhì)譜法可以完*的定量分析濺射碎片的組分構(gòu)成，也就是說質(zhì)譜聯(lián)用的激光損傷閾值檢測平臺LIDT不單單可以測到樣片的損傷閾值，還可以通過逐步提升能量的方法，逐級檢測何時(shí)表面多層介質(zhì)膜損傷，何時(shí)內(nèi)部基底材料損傷以及各自閾值下的材料損傷比例。

綜上，本文簡單討論了激光損傷閾值檢測LIDT的實(shí)驗(yàn)方法，以及對于科研客戶而言，如何從零開始，自行組建并拓展LIDT與質(zhì)譜，激光誘導(dǎo)裂解光譜，泵浦探測系統(tǒng)聯(lián)用的可能性以及相關(guān)設(shè)備架構(gòu)簡述。

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