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0431-81702023
光學工程
基于光學材料閾值測量時激光對焦方法研究

引 言

在光學窗口玻璃"薄膜以及晶體等光學材料的表面激光損傷閾值測量中,光學窗口玻璃、薄膜襯底以及晶體等材料在強激光作用下會產生非線性效應,如自聚焦效應。自聚焦效應會使入射激光在材料內部形成會聚作用,加速材料損傷,從而影響表面損傷閾值的測量。為了降低該效應對閾值測量的影響,一般采用大數值孔徑"短焦距透鏡對激光束進行聚焦,并將樣品表面定位在激光焦點位置。短焦距透鏡聚焦條件下,焦點前后激光束迅速發散,從而強度迅速下降。閾值測量過程中,較小的定位誤差將帶來嚴重的閾值測量誤差。

當焦點處的激光功率密度達到一定水平時,可使處于焦點位置的材料發生電離,從而發射出肉眼可觀察的等離子體光線,該效應已被用來進行手動對焦操作。操作中執行者需要邊移動材料位置邊觀察光斑區域,當出現等離子光線如白光時即停止移動,完成焦點在材料表面的定位操作,該方法會因執行者的不同而出現不同的執行效果。作為改進,有學者利用光電傳感器探測等離子體光線,能夠實現焦點位置的自動定位。但是,該方法會因激光焦點區域本身存在一定空間尺度而帶來定位誤差,無法確定材料表面是否定位在焦點區域中心位置。尤其是在短焦距透鏡聚焦條件下,由于激光束在焦點前后快速發散,該定位誤差將使實際作用在材料表面的激光光斑尺寸大于焦點光斑尺寸,從而影響表面損傷閾值的測量結果。另一方面,由于相同的激光強度在不同材料表面激發出的等離子體光線強度不同,因此定位的效果也會因材料不同而出現差異。此外,焦點區域的大小以及材料表面到焦點的距離無法直接跟蹤觀測,定位誤差難以控制。本文中利用激光對空氣電離所產生的等離子體亮點以及該亮點通過材料表面形成的鏡像作為參照物進行焦點定位,排除了因光學材料電離特性不同的定位差異性,并且在顯微鏡下可直接觀察兩個亮點相互靠近的過程,使定位誤差可以控制。

1.原理

當入射激光為平面波時,經過透鏡會聚在焦點處形成的艾里斑直徑為:

式中,λ為激光波長,( 為聚焦系統焦距,D 為聚焦系統孔徑。在理論情況下,聚焦光斑大小與會聚系統焦距成正比,焦距越小,得到的聚焦光斑尺寸也越小。實際情況下,激光器輸出激光束不是理想平面波,因此聚焦光斑要大于理論值。聚焦光斑大小實際由光束質量和會聚系統共同決定,從而焦點處的激光功率密度也由兩者與激光器輸出功率共同決定。

采用大數值孔徑"短焦距系統對激光束進行聚焦,可形成更小的聚焦光斑尺寸以及更大的會聚角度。焦點光斑面積更小,更容易提升激光功率密度從而形成空氣電離; 會聚角度更大,更容易使激光束在焦點前后迅速發散,有效抑制非線性光學效應對閾值測量的影響。

基于以上分析,本文中提出了一種新的激光焦點定位方法并搭建了光學系統。激光器輸出的激光束垂直入射到會聚透鏡上,聚焦后入射到待測材料表面。升高激光功率使焦點處的空氣發生電離并產生一等離子體亮點,該等離子體亮點通過待測材料表面形成鏡像。對焦過程的監測由帶顯微鏡頭的CCD成像系統實現,調整CCD 顯微成像系統使兩個亮點同時位于CCD 相機的視場中,根據鏡面成像原理,此時光學材料表面將垂直并等分等離子體亮點和亮點鏡像的連線。控制樣品向等離子體亮點靠近,同時觀察成像系統輸出畫面中兩個亮點逐漸靠近的過程,當二者相互重疊時,即完成材料表面在焦點處的定位操作。

2.光學系統設計與對焦方法

2.1.激光對焦光學系統

圖1

 

   激光對焦光學系統如圖 1 所示,包括激光器、激光衰減片、會聚透鏡、材料平移臺"CCD顯微成像系統。文中實驗系統采用的激光器輸出波長為800nm 最大輸出平均功率為5w。光束質量 因子為1.2,較好的光束質量可以實現更小的聚焦光斑,從而提升焦點處的激光功率密度。圖2 為可調型激光衰減片系統,通過調節衰減量控制焦點處的激光功率密度。

 圖2

測量光學玻璃材料的表面損傷閾值過程中,一般采用短焦距透鏡聚焦,使得焦點前后激光功率密度小于自聚焦效應閾值,提高測量的準確性; 另一方面,這種緊聚焦方式也可以防止激光首先損傷材料的后表面,因為激光在材料后表面附近由于干涉形成場增強效應,提高了局部的光場強度。利用短焦距和長焦距透鏡對激光的聚焦效果分別如圖 3和圖 4 所示,可見,短焦距透鏡一方面可以使聚焦光斑更小,另一方面焦點所占的區域也更小; 但同時激光束在焦點前后發散更大,這對材料表面在激光焦點的定位控制要求更高。在本實驗系統中,透鏡焦距為10mm,通過刀口法測量焦斑直徑( 1/ ) 為6u,從而計算得到焦點處激光功率密度達到0.18TW/cm2,該功率密度下,觀察到了明顯的空氣電離現象。

圖3

圖4

 

實際上,光束質量是影響焦斑大小從而影響焦點功率密度的最主要因素,其次才是激光功率,因為對衍射極限的激光束而言,理論上只要使用大數值孔徑的聚焦透鏡,就可以使焦點激光功率密度到達空氣電離的要求。

材料平移裝置為 3 維可調型移動設備,如圖 1所示。材料平移裝置 3 個維度分別是指材料平移臺y 軸和材料平移臺 x軸和材料平移臺 z 軸,其中使材料平移臺z軸平行于激光束的光路方向( 即會聚透鏡的光軸方向) ,材料平移臺 y軸和材料平移臺 x軸垂直于激光束的光路方向。將待測光學材料固定在平移臺上,使材料表面垂直于激光束。

激光束經會聚透鏡聚焦,產生空氣電離形成等離子體亮點,該等離子體亮點通過光學材料表面形成一亮點鏡像,CCD 顯微成像系統同時采集等離子體亮點和亮點鏡像的圖像并實時輸出到圖像輸出設備。CCD顯微成像系統裝包括CCD 相機"顯微鏡頭"相機平移裝置和圖像輸出設備( 本方法的圖像輸出設備是指裝有圖像采集"處理系統的計算機,且該計算機帶有輸出圖像的顯示設備) 。顯微鏡頭的放大倍率為 4/ 倍,CCD相機安裝在相機平移裝置上,CCD相機通過數據線與圖像輸出設備相連接,CCD 相機拍攝的圖像畫面可通過圖像輸出設備的顯示器實時輸出。為保證整個CCD 顯微成像系統不會對光束傳播"材料平移及成像造成阻礙,顯微鏡頭的工作距離為30mm,顯微鏡頭的光軸與激光束的光軸夾角約為 45°。CCD顯微成像系統中的相機平移裝置( 如圖1 所示) 同樣為 3 維可調型移動設備,其中相機平移臺 z 軸控制顯微鏡頭與等離子體亮點的遠近,相機平移臺軸和相機平移臺x 軸所在的平面與會聚透鏡光軸的夾角約為45°。


2.2.激光對焦方法

利用上述的激光對焦光學系統,實現激光對焦定位,具體包括以下步驟。

( 1) 形成等離子體亮點。激光器輸出的激光束通過激光衰減片,再垂直入射到會聚透鏡上,形成激光焦點; 本實驗系統中,焦點激光功率密度 為0.18 *1012W/m2,該功率密度下,焦點處的空氣被電離產生肉眼可觀察的等離子體亮點。

( 2) 形成亮點鏡像。如圖 5 所示,將待測光學材料固定在平移臺上,平移臺 z 軸與會聚透鏡的光軸平行,此時材料表面垂直于激光束的傳播光路; 平移臺x 軸和y軸,使材料表面對準等離子體亮點,通過調節平移臺 z 軸,使光學材料表面逐漸靠近等離子體亮點,直至等離子體亮點能在材料表面形成清晰的鏡像,調整過程中不要使材料表面接觸等離子體亮點,以免發生激光燒蝕,間隔的距離以恰好能清晰觀察到亮點鏡像為準。

 圖5

(3)采集輸出圖像。根據 CCD 顯微鏡的輸出圖像調整顯微鏡平移臺,使顯微鏡首先對焦點處的等離子體亮點清晰成像,進一步使材料表面靠近等離子體亮點,以保證等離子體亮點和亮點鏡像均進入顯微鏡視場; 帶顯微鏡頭的CCD相機的布置及相機平移臺的調節過程均要求顯微鏡頭不能接觸光學材料,也不能阻擋激光束。

(4)調節亮點大小。通過調節激光器的輸出功率和/或激光衰減片系統以逐漸減弱等離子體亮點和亮點鏡像的亮度,直至等離子體亮點和亮點鏡像剛好能被CCD 相機探測到,此時通過 CCD顯微成像系統觀察到的等離子體亮點和亮點鏡像最小,對應激光焦點處的等離子體區域最小,此時通過等離子體亮點確定的焦點位置也最為精準。

(5)最終定位。如圖5所示,根據鏡面成像原理,當光學材料向等離子體亮點靠近時,亮點鏡像會以兩倍于材料的平移速率向等離子體亮點靠近,而材料表面則始終位于等離子體亮點和亮點鏡像連線的中心位置,直至從CCD顯微鏡中觀察到等離子體亮點和亮點鏡像完全重合,即完成光學材料在激光焦點處的定位操作。

3.結 論

設計提出了一種新的激光焦點對焦方法,并構建了激光對焦光學系統。與現有技術相比,該方法的優點主要有以下幾個方面。

(1)利用激光對空氣電離所發射的等離子體光線作為參照物進行焦點定位,避免了材料剛接觸焦點區域邊緣即被激光電離而造成的定位誤差。

(2)相比利用激光對光學材料的電離效應進行定位的操作方式,激光對空氣的電離效應進行定位的方法,排除了因光學材料激光電離特性不同所帶來的定位差異性,換言之,本文中所述方法可適用于不同材質光學材料的定位,且能夠達到相同的定位精度,一般僅要求光學材料表面平整光滑即可。

(3)通過CCD 顯微鏡可以從焦點區域的側面觀測到空氣電離區域的大小,利用鏡面成像原理即可方便地將待測光學材料表面定位在焦點區域的中心位置,操作簡便"直觀,有利于進一步提高定位精度。

總的來說,本文中的激光焦點對焦方法具有精度高"結構簡單"制作方便"適應性強的特點,定位方法不僅操作簡便"定位精度高,而且人工因素干預較小"適應范圍廣,對后續光學材料( 例如光學窗口玻璃"薄膜以及晶體材料等) 的損傷閾值測量及表面高精度加工具有重要意義。

 


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