S-on-1測量方式下薄膜激光損傷的累積效應

李玉瑤，張婉怡，劉 喆，李美萱，付秀華，2

(1.長春理工大學光電信息學院，長春 130012；2.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

S-on-1測量方式下薄膜激光損傷的累積效應

李玉瑤1，張婉怡1，劉 喆1，李美萱1，付秀華1，2

(1.長春理工大學光電信息學院，長春 130012；2.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

為了研究薄膜激光損傷機理及影響因素，基于平頂光束輻照測量的原理，采用1064nm的Nd∶YAG激光器，對電子束熱蒸發方式鍍制的HfO2薄膜在重復頻率激光作用下損傷的累積效應進行了理論分析和實驗驗證。運用損傷閾值的測量原理，分析了1-on-1和S-on-1兩種測量方式的特點，并分別開展了測量實驗。采用二分法查找輻照激光能量，每個能量密度輻照20個測試點，應用零幾率損傷閾值和最小二乘法擬合確定測量結果。結果表明，對同種薄膜，1-on-1測量方式測得的損傷閾值為15.75J/cm2，S-on-1測量方式測得的損傷閾值為11.90J/cm2;從損傷閾值與損傷形貌兩方面的對比表明，S-on-1測量方式體現了典型的累積效應。此結果對深入研究薄膜激光損傷的機理和影響因素具有重要意義。

薄膜；損傷閾值；測量方式；累積效應；二分查找；最小二乘法

引 言

隨著激光技術的發展，激光對薄膜的損傷成為制約其向高功率、高能量發展的“瓶頸”，也成為影響高功率激光薄膜元件可靠性、穩定性和使用壽命的主要因素[1-4]。目前，國內外對薄膜損傷的研究中，大多采用中心強度高、邊緣相對較弱的高斯光束輻照薄膜表面，光斑中心位置易導致薄膜的損傷，損傷部分的面積小于激光光斑面積，測量的損傷閾值比實際的閾值偏大[5-6]。從激光的角度而言，激光的波長、脈沖寬度、能量密度與功率密度、光斑面積和偏振態等都對測量結果有影響[7-9]；從薄膜本身的角度而言，膜層的材料、厚度、工藝、半波覆蓋層和膜層后處理等也對測量結果有影響[10-11]。

通常，薄膜激光損傷閾值與輻照的激光脈沖個數有關，脈沖個數越多損傷閾值降低[12]，多脈沖激光對薄膜的損傷可以解釋為熱累計損傷或非線性吸收損傷。目前，國內外對激光薄膜損傷累積效應的研究均基于高斯光束輻照測量，會導致損傷閾值的測量結果偏低[13-14]。本文中基于平頂光束輻照測量，研究累積效應與作用次數的關系，采用1064nm的Nd∶YAG激光束對采用電子束熱蒸發方式鍍制的HfO2薄膜分別進行1-on-1測量方式和S-on-1測量方式的測量實驗，分析薄膜激光的損傷機理。

1 損傷閾值測量原理

圖1為薄膜激光損傷測量原理圖。激光束先通過能量調節裝置，再經整形光學系統由高斯光束變換為平頂光束，然后經聚焦光學系統后被分光鏡A以一定的分光比分成兩部分，一部分反射到被測樣品的表面，通過數碼顯微系統成像判識薄膜的損傷；另一部分透射到分光鏡B，再按照一定的分光比將光束分成兩部分，反射部分入射到能量探測器，計算出輻照到被測樣品表面的激光脈沖能量，透射部分入射到CCD探測面上，計算出輻照到被測樣品表面的光斑面積。根據激光脈沖能量和光斑面積計算出能量密度。應用最小二乘法對不同輻照能量密度下樣品的損傷幾率進行擬合，最終獲得樣品的激光損傷閾值。

Fig.1 Figure of measurement principle

2 損傷閾值測量實驗

2.1 測量方式

Fig.2 Measurement mode

本文中對被測樣品分別進行1-on-1和S-on-1兩種測量方式的實驗。

1-on-1測量又稱為單脈沖損傷測量，是指同一能量密度的激光輻照在樣品上的多個測試點，然后統計發生損傷的測試點個數，計算損傷幾率。改變激光能量密度，再測出損傷幾率，根據零幾率損傷閾值獲得方法求取該樣品的損傷閾值[15]。采用1-on-1測量方式時，每個測試點僅輻照一次，無論是否發生損傷，都移至下一個未被輻照的測試點，如圖2a所示。

S-on-1測量又稱為多脈沖損傷測量，是重復激光脈沖能量輻照在樣品表面的累計損傷效應，即同一能量密度的多個脈沖輻照在同一測試點上進行測量[16-17]，如圖2b所示。

2.2 1-on-1測量實驗

采用不同能量密度的激光對樣品進行單脈沖輻照測量，每個能量密度輻照20個間距為2mm的測試點，每個測試點僅輻照一次，通過控制樣品工作臺平移實現測試點的移動。采用二分法查找輻照激光能量，找到損傷幾率非0%非100%的測量點，然后按照能量遞增或遞減的順序進行輻照測量，應用零幾率損傷閾值確定測量結果。

在與被測薄膜表面等效的位置測得輻照在薄膜表面的光斑直徑為825μm，采用輻照激光能量密度計算軟件計算得到光斑面積為5.35×10-3cm2，并計算出每次輻照的激光能量密度。表1中列出了輻照的不同激光能量密度及其對應的損傷幾率,*表示擬合可用數據。

Table 1 Measurement data of 1-on-1 measurement mode

應用MATLAB對以上測量數據采用最小二乘法進行擬合[18]，如圖3所示。擬合得到其損傷閾值為15.75J/cm2。

Fig.3 Measurement results of 1-on-1 measurement mode

2.3 S-on-1測量實驗

采用不同能量密度的激光對樣品進行多脈沖輻照測量，每個能量密度輻照20個間距為2mm的測試點，每個測試點輻照1000次，若輻照次數未達到1000次就已判定損傷發生，則通過控制2維運動工作臺的移動，對下一個測試點進行多脈沖輻照測量。采用二分法查找輻照激光能量，找到損傷幾率非0%、非100%的測量點，然后按照能量遞增或遞減的順序進行輻照測量，應用零幾率損傷閾值確定測量結果。

在與被測薄膜表面等效的位置測得輻照在薄膜表面的光斑直徑為890μm，采用輻照激光能量密度計算軟件計算得到光斑面積為6.22×10-3cm2，并計算出每次輻照的激光能量密度。表2中列出了輻照的不同激光能量密度及其對應的損傷幾率,*表示擬合可用數據。

Table 2 Measurement data of S-on-1 measurement mode

應用MATLAB對以上測量數據采用最小二乘法進行擬合，如圖4所示。擬合得到其損傷閾值為11.90J/cm2。

3 測量實驗結果對比分析

圖5中為采用1-on-1測量方式且能量密度為22.75J/cm2時的損傷形貌，由于輻照激光為平頂光束，因此膜層表面除缺陷部分外，損傷區域與光斑輻照區域基本符合。

Fig.4 Measurement results of S-on-1 measurement mode

Fig.5 Damage morphology of 1-on-1 measurement mode

采用S-on-1測量方式能量密度為14.5J/cm2時，脈沖個數分別為1,10,100和1000時的損傷形貌如圖6所示。隨著脈沖作用次數的增加，損傷越來越嚴重，尤其在缺陷存在區域首先發生損傷。

Fig.6 Damage morphology of S-on-1 measurement mode

通過以上測量實驗可知，采用S-on-1測量方式測得的損傷閾值比1-on-1測量方式大，S-on-1測量方式采用同一激光能量密度對同一測試點進行多脈沖輻照測量，隨著脈沖次數的增加損傷越來越嚴重，體現了典型的累積效應。

4 測量誤差分析

系統的測量誤差主要來源于激光輻照能量的測量誤差、光斑面積的測量誤差、測量結果的擬合誤差和損傷判識誤差等。

4.1 激光輻照能量測量誤差

該誤差主要包括：兩塊分光鏡的分光誤差為1%；能量探測器的分辨率為1μJ；平頂光束的平頂度為93.66%；薄膜表面接收激光輻照，將吸收的激光能量轉化成熱能，導致薄膜表面溫度升高，能量探測器測量的激光能量大于薄膜實際損傷所需能量，導致測量誤差的產生。

4.2 光斑面積測量誤差

光斑面積的測量是在樣品表面的等效位置進行的，因此CCD靶面與樣品表面位置等效的偏離是誤差的主要來源。為了解決這一問題，在設計聚焦光學系統時，采用長焦距結構以增大系統的焦深，使CCD靶面在一定的調節范圍內測得的光斑與樣品表面光斑的大小相近。焦深的表達式為:

式中，λ為工作波長，f′為系統焦距，n′為像空間介質折射率，Um′為像方最大孔徑角，D為系統入瞳直徑。對于一定波長的激光，當入射口徑一定時，焦深近似與焦距的平方成正比。

從CCD角度來說，引起光斑面積測量誤差的主要因素有CCD本身的分辨率誤差、CCD的積分誤差以及CCD的背景噪聲。

4.3 測量結果擬合誤差

采用最小二乘法進行曲線擬合時會產生一定的擬合誤差，同時測量時選取能量等級的多少對擬合精度產生一定影響。為了減小擬合誤差，盡量多選擇測量激光能量等級，尤其是損傷幾率為20%～60%之間的能量對擬合結果影響最大。

5 結 論

基于平頂激光束輻照測量，采用1-on-1和S-on-1兩種不同測量方式對電子束熱蒸發方式鍍制的HfO2薄膜激光損傷進行了研究，從損傷閾值與損傷形貌兩方面驗證了S-on-1測量方式體現了典型的累積效應，最后從激光輻照能量測量、光斑面積測量和測量結果擬合等方面進行了誤差分析。

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CumulativeeffectofthinfilmlaserdamageunderS-on-1measurementmode

LIYuyao1，ZHANGWanyi1，LIUZhe1，LIMeixuan1，FUXiuhua1，2

(1.College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology, Changchun 130012, China； 2.College of Opto-electronics Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022,China)

In order to study the damage mechanism and influencing factors of laser thin films, the principle of radiation measurement based on flat top beam was proposed. The cumulative damage effect of HfO2films processed by electron beam thermal evaporation under the repeated frequency laser irradiation was studied by using 1064nm Nd∶YAG laser. After theoretical analysis and experimental verification, the characteristics of two measuring methods, 1-on-1 andS-on-1, were analyzed based on the measuring principle of damage threshold. The irradiation laser energy was seeked by dichotomy. Each energy density was irradiated at 20 test points. Zero probability damage threshold and least square method were used to fit and determine the measurement results. The results show that for the same kind of film, the damage threshold measured by 1-on-1 method is 15.75J/cm2and the damage threshold measured byS-on-1 method is 11.90J/cm2. The comparison of damage threshold and damage morphology shows thatS-on-1 measurement method reflects the typical cumulative effect. The study is of great importance for the study of laser damage mechanism and influencing factors of thin film.

thin films；damage threshold；measurement mode；cumulative effect；binary search；least square method

1001-3806(2018)01-0039-04

吉林省科技支撐計劃資助項目(20150204047GX)；吉林省教育廳“十三五”科學技術研究資助項目(2015578)

李玉瑤(1982-)，女，博士，主要從事光學設計、光學儀器及激光測試等方面的研究。

E-mail:liyuyao1983@163.com

2017-02-13；

2017-03-17

TN247；O484.4+1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.008