您的当前位置：首页高反射膜激光零几率损伤阈值的实验研究

高反射膜激光零几率损伤阈值的实验研究

来源：微智科技网

　第15卷　第6期　　　　　　　　　　　　强激光与粒子束　2003年6月　　　　　HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

文章编号:　100124322(2003)0620538205

Vol.15,No.6　

Jun.,2003　

高反射膜激光零几率损伤阈值的实验研究

刘　强1,　林理彬1,　甘荣兵1,　唐方元1,　扎西次仁1,2

(1.四川大学物理系,四川成都6100;　2.大学数理系,拉萨850000)

　　摘　要:　在确定光学薄膜激光损伤阈值的实验数据处理过程中,发现一些样品的数据点分布偏离直线型式。对此,用国际标准规定的零几率来确定损伤阈值的同时,对测试数据点采用了不同的非直线拟合,也得到一个零几率损伤阈值。比较两者差异,并与实验测试结果对照,发现这些样品采用非直线拟合得出的零几率损伤阈值与实际情况更接近一些。

　　关键词:　镀膜;　测试;　拟合方式;　零几率损伤阈值;　阈值比较　　中图分类号:　TN24　　　　文献标识码:　A

　　在高功率激光系统中,需要具有不同功能的光学元件,如高反镜、增透镜等。这就需要在元件基片上镀以

不同的介质薄膜,以提高或改善光学元件的性能。在实验中发现,光学元件的激光损伤(尤其是光学膜层的激光损伤)了激光系统输出的最大功率。因此,为了提高和评价光学元件的抗激光损伤能力,光学元件的激光损伤机理研究和激光损伤阈值的测定已成为惯性约束核聚变研究中的重要课题之一,研究人员给予了广泛关注并做了大量研究,取得了许多成果。　　人们对激光阈值的测试方法进行了大量研究,包括显微观测法、光热光声法、扫描电镜法、干涉法、全息探测法、等离子体闪光法、雾气法[1]、散射光法[1,2]和透射反射法[3]等等。相对说来,对实验数据的处理(处理方法不同,直接影响阈值确定)研究的很少。比如,对同一类样品,各实验者所测定的损伤阈值之间的可比性差。确定零损伤阈值的国际标准颁布后,这种状况有了较大改善。然而,由于受众多因素的影响,即使按规定的测试方法对同一类样品进行测试,不同实验室测出的阈值结果仍有一定差异,对此有待深入研究。特别是激光损伤测量数据的标准化问题[1]有必要进行深入探讨。所以损伤阈值的测量不仅与检测手段的种类和灵敏度有关,而且还与测量数据点的合理处理方式有关。本文研究在用国际标准规定的零几率损伤来确定阈值的同时,对测试数据点采用了不同的非直线拟合,也得到一个阈值。比较二者的差异,并与实验结果对照,使确定的阈值与实际更趋一致。

1　两种激光损伤阈值确定方法的简单比较

1.1　50%损伤几率阈值

　　取不造成元件破坏的最大能量密度值Fmax,ND(ND表示元件未损伤)与造成损伤的最小能量密度值Fmin,D(D表示元件损伤)的平均值Fth作为损伤阈值[4]

Fth=(Fmax,ND+Fmin,D)/2

(1)(2)

扩展范围S定义为

S=(Fmax,ND-Fmin,D)/Fth

它表示50%的几率损伤阈值有一个分布范围(不是误差范围)。S的大小反映了样品的均匀性,S大,则样品均匀性差。该方法比较直观,其阈值易确定。其缺点是损伤几率不是一个常数,而与所谓的缺陷损伤集合体的分布状况有关[5],与试验统计次数有关;并且有明显的光斑效应,即当其他条件不变时,光斑尺寸越大,损伤阈值越小。只有当光斑尺寸远大于或远小于薄膜表面缺陷的平均距离时,光斑效应才不明显,并假定缺陷都在同一个功率密度上造成损伤[6]。1.2　零几率损伤阈值ET[6]　　零损伤几率阈值是在对测试结果进行统计分析后,取对应于零损伤几率的能量密度值作为损伤阈值。按

Ξ收稿日期:2002209213;　　修订日期:2003202228

基金项目:国家自然科学基金(600880012)资助课题;国家教育部高校博士点专项科研基金资助课题

作者简介:刘　强(19612),男,博士生,从事固体辐照效应及其应用研究;四川大学物理系,辐射物理及技术实验室。

第6期　　　　　　　　　　　　刘　强等:高反射膜激光零几率损伤阈值的实验研究539

国际标准11254,用12on21测试激光损伤阈值的方法是:用同一能量的单脉冲,照射m个点(m≥10),记下损伤的次数n,得出这个能量下的损伤频率为n/m;改变能量,又测出该能量下的损伤频率。要求测出多个能量点的损伤频率,包含损伤频率为零和损伤频率为100%的能量点。以激光能量为横轴,以损伤频率为纵轴,得出损伤频率与激光能量点的分布,再用直线拟合并外推到零损伤频率(即零损伤几率),所对应的激光能量值即为损伤阈值ET(12on21测试法)[6]。这种方法是目前国际上采用的标准的损伤阈值测试方法,能够得到较准确的损伤阈值,但是不能得到损伤阈值的分布。　　零几率损伤阈值比50%几率损伤阈值准确,没有光斑效应,把实验者的主观因素影响降到最低。对光斑效应值得注意的是:在缺陷(往往是导致光学元件损伤的主要原因)密度不变的情况下,通常在用较小束斑的激光时测到的损伤阈值要高些,但并不是损伤阈值就真的很高,而是导致损伤的几率减小了,即测试激光束“错过”导致损伤的缺陷的几率变大了,对此,文献[4～7]有详细的定量分析。

2　实验结果及分析

　　我们对K9玻璃基片镀膜前的清洗工艺进行了研究,清洗后的基片立即进行镀膜。02#和03#两个样品均采用相同清洗工艺和相同的电子束镀膜工艺,样品均为中心波长λ反射膜系Sub/LH0=10nm的0°(LH)9LH2L/A。其中L代表λ/4光学厚度的低折射率材料SiO2,H代表λ/4光学厚度的高折射率材料HfO2,Sub表示衬底,A表示空气。最外面一层是2L,表示λ/2光学厚度的低折射率材料SiO2保护层。05#和17#为不同清洗工艺清洗和相同电子束镀膜条件镀膜,两个样品均为中心波长λ/4光学厚度0=1315nm的λ

的Ta2O5单层膜。　　阈值测试是在中国工程物理研究院激光聚变研究中心进行的。测试条件为:12on21测试,激光波长10nm,脉宽8.5ns,样品表面的光斑大小为0.637mm2,高斯光束。测试前用光学显微镜观察样品表面无污染或手印。　　在实验中发现,有一些样品的测试结果点分布呈现直线型,若用直线拟合外推得出的零损伤几率阈值与实际情况较一致;而有一些样品的测试结果点分布明显偏离直线型式,此时若采用直线拟合外推得出的零损伤几率阈值与实际有较大差别,若用非直线拟合得出的损伤阈值与实际较为一致。　　图1是02#和03#样品的损伤阈值测试数据点的散点图,图2是17#和05#样品损伤阈值测试数据点的散点图。根据数据点分布状况,对同一测试结果采用不同回归拟合方式。其中实线表示线性回归拟合,虚线表示二次回归拟合。

Fig.1　Regressionfitoftesteddatapointsof02#and03#samples

图1　02#和03#样品的阈值测试点的回归拟合

　　02#样品的拟合方程为:线性拟合

Y=-0.4753+4.334×10-2X

(3)(4)

非线性拟合

Y=-0.9788+9.056×10-2X-1.06×10-3X2

540　　　　　　　　　强　激　光　与　粒　子　束　　　　　　　　　　　　　　　第15卷

　　03#样品的拟合方程为:

线性拟合

Y=-0.14+4.994×10

-2

-4

(5)

非线性拟合

Y=-0.3413+2.232×10

-2

X+6.092×10(6)

　　02#和03#样品的零几率损伤阈值及拟合参数列于表1中。其中R是相关参数,SD是标准差,P为阈值处的损伤概率,Eth表示零几率损伤阈值。表1中的两个样品均采用相同清洗工艺、相同镀膜材料和镀膜工艺。拟合结果表明:02#样品线性拟合的零几率损伤阈值为11.0J/cm2,非线性拟合的零几率损伤阈值为12.7J/cm2,二者很接近;同样地,03#样品的线性与非线性拟合的零几率损伤阈值也很接近。

表1　线性拟合与非线性拟合零几率损伤阈值比较(波长10nm,脉宽8.5ns)

Table1　Comparisonbetweendamagethresholdofzeroprobabilitybylinearandnon2linearfitaccordingtosamecleaningprocess(10nmlaserwavelengthwith8.5nmpulsewidth)

sample

Eth/(J・cm-2)

linearfit

Eth/(J・cm-2)

non2linearfit

R2square

02#03#

11.012.8

0.9080.874

0.1010.141

7.16×10-49.46×10-4

12.711.6

0.8380.767

0.1050.149

4.28×10-36.13×10-3

Fig.2　Regressionfitoftesteddatapointsof17#and05#samples

图2　17#和05#样品的阈值测试点的回归拟合

　　05#样品的拟合方程为:线性拟合

Y=-0.4132+2.617×10

-2

-5

(7)

非线性拟合

Y=-0.4652+2.981×10

-2

X-5.799×10(8)

　　17#样品的拟合方程为:

线性拟合

Y=-1.109+3.349×10

-2

-3

(9)

X-1.450×10

-5

非线性拟合

Y=-40.60+4.109X-1.527×10

-1

X+2.46×10

(10)

　　17#和05#样品的零几率损伤阈值及拟合参数列于表2中,表2中的两个样品采用相同镀膜材料和镀膜工艺,但清洗工艺不同。05#样品采用的是一般清洗,而17#样品为工艺清洗。从表中得出,05#样品线性拟合与非线性拟合的阈值非常接近,可认为二者是相等的。以05#样品阈值作参考,若采用线性拟合,则17#样品的零几率损伤阈值为05#样品的2.09倍;若采用非线性拟合,则17#样品的零几率损伤阈值为05#样品的1.53倍。显然,对17#样品的同一实验结果,非线性拟合得到的零几率损伤阈值比线性拟合的要低。从拟合曲线看,17#样品的非线性拟合曲线比线性拟合直线更接近实测数据点的分布状况,其拟合参数也好于线性拟合的情况。因此,在这种情形下宜采用非线性拟合。

第6期　　　　　　　　　　　　刘　强等:高反射膜激光零几率损伤阈值的实验研究

表2　线性拟合与非线性拟合零几率损伤阈值比较(波长10nm,脉宽8.5ns)

Table2　Comparisonbetweendamagethresholdofzeroprobabilitybylinearandnon2linearfitaccordingtodifferentcleaningprocess(10nmlaserwavelengthwith8.5nmpulsewidth)

sample

Eth/(J・cm-2)

541

linearfit

Eth/(J・cm-2)

non2linearfit

R2square

15.833.1

0.9750.901

0.06240.1350

<0.00013.667×10-4

16.129.5

0.9510.966

0.06710.0731

1.173×10-47.497×10-4

17#

　　17#样品的实验测试结果为:损伤频率为零时对应的损伤能量为28.6J/cm2,损伤频率为10%时对应的损伤能量为34.3J/cm2。此数据与表2比较看出,17#样品线性拟合的零几率损伤阈值为33.1J/cm2,但实际测得损伤频率为10%时的损伤能量为34.3J/cm2,二者非常接近,即线性拟合的零几率损伤阈值已经非常接近10%损伤频率所对应的能量值。所以,把33.1J/cm2当作零几率损伤阈值显然是不尽合理的。若按非线性拟

合的零几率损伤阈值29.5J/cm2为准,则它与10%损伤频率所对应的损伤能量值34.3J/cm2的差别要大些,同时17#零损伤频率对应的能量为28.6J/cm2。因此,以29.5J/cm2作为17#样品的零几率损伤阈值似乎要相对合理些。

3　讨　论

　　对那些按线性外推不易给出合理损伤阈值的样品,被认为是均匀性差[6]。然而,在实际中这种均匀性差的样品常常会遇到,对这些“均匀性差”的样品也应该进行阈值判定。实际上人们对不同表面污染状况的元件进行了一些与阈值有关的研究。所以,对均匀性好的样品和均匀性差的样品都应根据测试点分布状况做出一个较恰当的阈值评价。

　　在我们的样品中,一些样品采用线性外推能合理地得出阈值。另一些样品若采用线性外推,则得出的阈值与实际情况差别较大,这时宜采用非线性拟合,得出的阈值虽然比线性拟合的阈值要低些,但较接近实际情况。对这些样品,我们认为这样确定的阈值比简单的线性外推的结果更恰当一些,更符合实际结果,值得进行深入研究。

　　我们的讨论只是一个初步的尝试,在确定阈值时应尽量减少可能因素的影响,使阈值大小留有余地,保证元件一定的使用寿命。

　　在上述实验数据点的直线拟合与非直线拟合中,02#和03#样品用两种拟合法得到的结果很一致。05#样品用两种拟合法得到的阈值结果很一致。17#样品用非直线拟合得出的结果比直线拟合的结果要小些,但是从它的零几率损伤能量和10%几率损伤能量的测试结果比较看,直线拟合的阈值更接近其10%几率损伤能量,而非直线拟合的阈值更接近零几率损伤能量。相对说来,对17#样品采用非直线拟合得出的损伤阈值与实际情况更符合一些。

4　结　论

　　在确定光学元件损伤阈值时,一部分样品如02#、03#和05#采用直线拟合得出的零几率损伤阈值与采用非直线拟合得出的零几率损伤阈值很接近,表明非直线拟合有其合理性。有的样品如17#非直线拟合得出的零几率损伤阈值比直线拟合更接近实际情况。

参考文献:

[1]　孙承纬.激光辐照效应[M].北京:国防工业出版社,2002.267—270.(SunCW.Effectoflaserirradiation.Beijing:NationalofDefenseIn2

dustryPress,2002.267—270)

[2]　SheehanL,KozlowskiM,RainerF.Diagnosticsforthedetectionandevaluationoflaserinduceddamage[A].SPIE[C].2428:13—22.[3]　甘荣兵,林理彬,蒋晓东,等.用透射反射扫描法检测光学薄膜的激光损伤[J].强激光与粒子束,2002,14(1):45—48.(GanRB,LinLB,

JiangXD,etal.Determinantoflaser2induced2damageofthinfilmbythescanoftransmissionandreflectance.HighPowerLaserandPartical

Beams,2002,14(1):45—48)

μmlaserdamageofthinfilmopticalcoatings:around2robinexperimentinvolvingvarious[4]　GuentherKH,HumpherysTW,BalmerJ,etal.1.06

pulselengthsandbeamdiameters[J].AppliedOptics,1984,23(21):3743—3752.

[5]　PorteusJO,SeitelSC.Absoluteonsetofopticaldamageusingdistributeddefectensembles[J].ApplOpt,1984,23:3796—3805.

[6]　BeckerJ,BernhardtA.ISO11254,aninternationalstandardforthedeterminationofthelaserinduceddamagethreshold[A].SPIE[C].1994,

542

2114:703—713.

　　　　　　　　　强　激　光　与　粒　子　束　　　　　　　　　　　　　　　第15卷

[7]　SeitelSC,PorteusJO.Towardimprovedaccuracyinlimited2salepulsedlaserdamagetestingviathemethod[J].LaserDamageinOpticalMate2

rial,1983(NBMSpecialPublication),688:502—512.

Investigationonzeroprobabilitydamagethresholdofhigh2reflectivethinfilms

LIUQiang1,　LINLi2bin1,　GANRong2bing1,　TANGFang2yuan1,　ZHA2XICi2ren1,2

(1.KeyLaboratoryforRadiationPhysicsandTechnologyofEducationMinistry,DepartmentofPhysics,

SichuanUniversity,Chengdu6100,China;

2.DepartmentofPhysicsandMathematics,XizangUniversity,Lasa850000,China)

　　Abstract:　Inprocessofthearrangingexperimentdatafordeterminingthedamagethreshold,itisfoundinsomesamplesthatthe

distributionofthedatapointsoftheexperimentresultsdeviatesobviouslyfromthelineardistribution.Underthissituation,asthedam2agethresholdisdeterminedfromthelinearextrapolationofthemeasuredenergy2densitydependentdamageprobabilitybasedontheISO11254,anotherdamagethresholdofzeroprobabilityisobtainedbythedifferentnon2linearfitoftheexperimentdata.Aftermakingacomparisonbetweenthesetwovaluesandcontrastingthemwiththeexperimentresults,itisobtainedfromsomesamplesthatthedam2agethresholdofzeroprobabilityextrapolatedbythenon2linearfitismoreclosetothe“real”damagethreshold.

　　Keywords:　Depositedfilm;　Testing;　Regressionfit;　Damagethresholdofzeroprobability;　Thresholdcomparison

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文