激光損傷閾值測試與相關設備

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器件的一個關鍵參數，常見的標注方式是連續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：

對于連續波激光輻射誘導的激光損傷，一般是激光誘導的熱累積在光學基片內部，或者在表面鍍膜，在光學鏡片間的膠結劑層等等，當熱累積到一定程度且來不及傳導出去時會發生的損傷。

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

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驗室并承接商業化的激光損傷閾值測試服務。當然，客戶也可以利用我們提供的設備，自己組建激光損傷閾值實驗平臺。

測試采樣方法上常見的有：

• 1-on-1測試：即每個測試點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模式就是在單個位點上輻照多個脈沖，然后獲得損傷的統計性規律，
• R-on-1模式：則是對單點進行漸進式提升能量測試直至發生損傷。

一般來說，往往需要進行損傷閾值檢測的光學樣片其本身的價值已經較高，也意味著其表面加工面形，透過率或反射率等等通常已經做到了相當高的水準，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成像系統所觀測鑒別到。

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位，由于反差小，一般也很難鑒別到損傷點。此時一個重要的方法是提升觀測對比度。也就是說往往常規明場照明的顯微鏡無法完成激光損傷點鑒別，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鑒別手段是利用低功率激光（一般選HeNe激光）照射被測點，即使被測點僅存在很小的損傷，此被測點對于上述探測激光的散射強度相對于未損傷點也會發生明顯的變化，當我們設置好光路檢測這個明顯變化的散射信號則可以有效的鑒別損傷。

以上是商業公司標準的測試手段。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微區進行檢測，而對于高等級的光學器件，往往需要對樣片的整個區域進行全面覆蓋測試，此時就可以采用往復掃描法，對每個位置均進行擊打與采樣記錄，后續進行數據調用和計算完成對于樣件上整個工作區域的全面評價。

泵浦-探測技術：對于更高功率或能量的激光應用，激光可能對于樣片產生三維的損傷，也就是說損傷可能深入到樣片內部很多。此時泵浦探測法可以成為一個有效的檢測手段，簡單來說就是一束高能激光用于擊打樣片產生損傷，而我們可以同時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高靈敏度的波段）做為探測光，此時這一束綠色的探測光就可以作為一個超高亮度照明光（比普通明場照明亮度高上萬乃至更多），照亮了縱向損傷區域，便于顯微鏡加相機拍攝整個的縱向損傷區域的圖樣。 進一步的，由于探測光也是脈沖光，且和泵浦光是同時產生的，當我們在探測光光路內插入光學延遲線后，可以非常精密的控制探測光相對于泵浦光的時間延遲，也就是說我們還可以利用泵浦探測術精密的拍攝高能激光輻射后某一個特定時刻的損傷形態，當我們多次重復以上不同延遲時間的泵浦探測實驗后，則可以統計描繪出樣片縱向區域各個時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：

用于誘導激光損傷的激光器如何選擇：

對于連續波激光而言，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激光，功率上看需要，瓦量級到幾百瓦量級都算常見，特殊應用的實驗室甚至可以采用千瓦級激光來自建系統。

圖1.激光光斑尺寸與漏采樣的關系

這里面需要提及的一點是，如預算允許，選擇激光功率較高一些一般不會錯。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遠低于高功率的激光（如上圖的三個并列小光斑作用區域和三個并列大光斑作用區域），如果紅色x點位都是樣片的缺陷點（也就是樣片上損傷閾值低的點位）；很明顯高功率大光斑的激光擊打下，其漏采樣的危險性會遠遠小于低功率小光斑的激光。從經驗上看，有此局部存在低損傷閾值點問題的樣片，其損傷閾值由于漏采樣而產生的損傷閾值測量偏差可能高達數倍甚至10倍以上（也就是說低損傷閾值的點位如果出現漏采樣問題的話，損傷閾值測試結果可能虛標10倍或更多）。所以，為了盡量規避漏采樣問題，建立激光損傷檢測實驗室時，選用預算允許范圍內較高功率且原始光斑較大的激光可能更為有利。當然，為了徹底規避漏采樣問題，多花時間采用光柵掃描法可以做到覆蓋全靶面，而此時高功率大光斑仍然有利，因其可以更短的時間完成mapping。

這一知識點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，其共有的特點是：

• 倍頻模塊快速拆裝切換，無需調校光路
• 自動相位匹配
• 操作簡便，容易維護

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，其能量密度計算法=（激光能量/光斑面積）*2，運算后

從采購預算上看，最高型號Qsmart 2300與最低型號Qsmart 450價格相差數倍，而從能量密度上看相差不到一倍。如果初建實驗室，中等能量的Qsmart 850是較常用的激光,而Qsmart 450是最經濟的一款實驗用機。

而預算較充裕的話，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勢可更好的規避漏采樣。

另外，還要說明的是不是說現在計算的2-4 J/cm2 就是本設備能量密度的極限，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，由于需要很多發激光脈沖參與，重復頻率較高的20Hz型號比較建議采用。

簡單來講，就是在預算范圍內，選擇能量較高，重復頻率較高的激光比較適合。

激光功率能量計與激光光束品質分析儀的選擇。

我們知道，脈沖激光器的激光能量隨時有微小變化的，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%的能量到后續激光能量計加光斑分析儀組合包。所謂組合包，就是我們可以后續再加一片光楔，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監測當前激光能量值。現在最后還剩下4%*4%=0.16%的能量，我們正好把這些殘余能量輸送進激光光束品質分析儀，用于即時監測當前激光光束的品質，所有激光能量一點都沒浪費，物盡其用。

在此種架構上，推薦以色列Ophir的激光功率能量計和美國Spiricon的激光光束品質分析儀的搭配。

一方面原因是以色列Ophir強項在 激光功率能量測試，美國Spiricon強項在激光光斑品質分析儀，在各自領域均處于業界標桿。因其強大的公信度，商家在出具的測試報告中注明采用以上Ophir/Spiricon廠家的設備進行測試，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據無痕融入到Spiricon的BeamGage軟件中，當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導引進Ophir的功率計加Spiricon激光光束品質分析儀組合。用戶可以在Spiricon的BeamGage激光光束品質分析界面直接看到已經歸一化計算好的當前激光光斑的所有參數，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專業版的話，還有望直接調用并融合BeamGage的輸出報告到自己編寫的激光損傷預置測試與報告APP內，實現測試軟件與硬件的全融合。

實驗室自建激光誘導損傷閾值檢測平臺舉例：

首先分析一個自組LIDT激光誘導損傷閾值檢測系統

• 激光器上，如前述根據預算選擇功率或能量較高的激光，比如Qsmart 850或者Qsmart 2300
• 接著進入一個shutter激光快門再加偏振式可調衰減器，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開關等時序控制，同樣也可以控制何時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可調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，在額定輸出狀態時其系統熱平衡是最佳保持狀態，此狀態下激光能量輸出最穩定，光斑形態保持最佳且激光器的壽命最長，我們在后續光路上增加的偏振式連續可調諧激光衰減器以及外置的Shutter激光快門是用來實現調諧激光能量與激發時刻功能的同時，保持激光器額定工作輸出狀態。
• 偏振控制器和聚焦鏡用于調整光斑
• 后續一個光楔反射4%-5%的激光能量到激光參數監控包里面（綠色框部分），其余能量用于誘導損傷
• 進入激光參數監控包（Ophir/Spiricon)包含激光功率能量計，激光光斑品質分析儀和一個接示波器的快速光電管，可以記錄每一發激光脈沖的能量，光斑大小，指向穩定性，模式穩定性，脈沖寬度與脈寬穩定性等等）
• 樣品臺建議基于電移臺的架構以及PCU電移臺定位掃描控制器
• 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激光誘導損傷閾值檢測系統

這是一套相當復雜的多功能系統，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，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增加266nm四倍頻模塊，213nm五倍頻模塊。 而另外一臺聯用的Nd:YAG laser B激光可放在相當靠后的計劃再搭配，加上美國SRS公司DG645 可做兩臺YAG激光器前后激光脈沖的時序控制。

繼續分析Nd:YAG laser A及后續光路，這就是一套典型的泵浦探測架構，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可調諧激光衰減器，好處是可以在0-100%連續調節激光能量，然后經過波片與高反鏡導入光路中的分束器Splitter即是前文所提及的石英光楔，導引少部分激光進激光能量計和激光光束品質分析儀組合隨時監測當前激光所有關鍵參數。

接著進入一個激光快門shutter，保持激光器可以時刻維持額定工作輸出狀態。

綠色光路部分是1064nm激光經過倍頻形成532nm綠光作為探測光，之所以選用532nm波長是因為后續的CCD探測器其量子效率峰值大致在綠光波段。532nm探測光繼續經過一個偏振分束器，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聯用的，目的是架構一套自組的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，用于調整泵浦光與探測光的時間延遲。

接下來我們看到紅色泵浦光與綠色探測光會合，此前需要相當耐心的光路調節以保證兩束光完美交匯。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，用于驅動樣片位置掃描，實現改變采樣點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綠色的上下箭頭，指的是實現DIC微分干涉條件時需要的位置微調，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產品。

繼續說左上部分Nd:YAG laser B，實際上，可以看成一套削減功能的Nd：YAG laser A,

而A激光與B激光做時序控制配合可以拓展多種應用。

返回我前述我們提及的模塊化設計與搭建思路，實際上對于一個初建實驗平臺，如果經費預算不足的話，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激光功率能量計與美國Spiricon 的BGS-USB3-SP932U激光光束品質分析儀做激光參數采集與監測，后續匹配卓立漢光光學平臺，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，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費最節省的激光損傷閾值檢測系統，然后在此基礎上逐漸增加諸如DIC微分干涉差顯微鏡，泵浦探測檢測系統等多種功能演進和拓展，實現有序良性的發展。

同樣從模塊化的思路，實際上還可以拓展到其他檢測術的聯用，我們接著舉個例子，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現激光濺射鍍膜。好，現在請您設想，如果這個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，產生的等離子體會同時輻射光信號，我們采用卓立漢光的LIBS激光誘導解離光譜儀測量這個光譜，如果光譜內檢測到樣片基材或其上面增透膜或增反膜的相應原子光譜峰；已知真空室高度清潔，樣片表面在進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，在樣片表面介質膜或基材本身上實現了激光損傷，對應的當前激光能量值不就是此介質膜或基材的激光損傷閾值么？此方式的好處是，可以完全省卻DIC微分干涉差顯微鏡或者激光散射檢測組件。以上架構就是所謂脈沖激光沉積PLD，激光誘導裂解光譜LIBS與激光損傷閾值檢測LIDT原位聯用系統。

再進一步說開來，如上圖真空室具備了，激光誘導等離子體云也具備了，在真空室腔體的另外一個出口還可以考慮增加一套質譜檢測儀，同樣可以原位檢測激光誘導損傷后濺射出的碎片組分，比起激光誘導裂解光譜LIBS技術在的定量分析上尚未完全成熟而言，MS質譜法可以完美的定量分析濺射碎片的組分構成，也就是說質譜聯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，逐級檢測何時表面多層介質膜損傷，何時內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的實驗方法，以及對于科研客戶而言，如何從零開始，自行組建并拓展LIDT與質譜，激光誘導裂解光譜，泵浦探測系統聯用的可能性以及相關設備架構簡述。

北京卓立漢光儀器公司及其子公司先鋒科技公司非常歡迎各位老師提出您的設想與要求，我們共同討論如何經濟而高效的實現您的實驗設想。