自從激光問(wèn)世以來(lái)，光與物質(zhì)相互作用這一重要科學(xué)領(lǐng)域得到了新的開(kāi)拓。六十年代初，隨著(zhù)調Q激光器的出現，激光對物質(zhì)的破壞作用就為人們所察覺(jué)。隨著(zhù)激光器研究的發(fā)展以及高功率激光器的出現，人們發(fā)現，光學(xué)器件本身所能承受的抗破壞能力已成為限制激光器有用輸出功率提高的重要因素之一，因此，激光對材料的損傷就成了激光研究領(lǐng)域中的一項重要課題。

　　光學(xué)薄膜幾乎是所有光學(xué)系統中不可缺少的基本元件，并且也是激光系統中最薄弱的環(huán)節之一。長(cháng)期以來(lái)，激光對光學(xué)薄膜的破壞一直是限制激光向高功率、高能量方向發(fā)展的“瓶頸”，也是影響高功率激光薄膜元件使用壽命的主因。另一方面，光學(xué)薄膜也是導彈、遙感衛星等航天飛行器中導引、定位、遙感甚至能源系統中的重要組成元件，應用強激光武器對光學(xué)薄膜元件的破壞可以造成航天飛行器的致眩、致盲、失控，甚至于系統的整體失效。光學(xué)薄膜中即使出現十分微小的瑕疵，也會(huì )導致輸出光束質(zhì)量的下降，嚴重時(shí)將引起整個(gè)系統的癱瘓，光學(xué)薄膜的抗損傷特性將直接影響到整個(gè)系統的設計方案以及今后系統運行的性能。所以，研究光學(xué)薄膜的抗激光破壞問(wèn)題具有非常重要的意義。

　　然而，激光對光學(xué)薄膜的損傷是一個(gè)復雜的過(guò)程，它由作用激光(重復頻率、波長(cháng)、脈寬、偏振態(tài)、模式、光斑、輻照方式等)和光學(xué)薄膜的性質(zhì)(薄膜光學(xué)特性、膜料、制備工藝、薄膜結構、缺陷密度等)兩方面決定。不同的激光參數條件對同一薄膜會(huì )產(chǎn)生不同的損傷結果。不僅如此，由于薄膜激光損傷是薄膜與強相干輻射相互作用的結果，在強相干輻射作用下，薄膜元件具有許多新的行為，而這些行為通常難以用經(jīng)典薄膜光學(xué)理論進(jìn)行解釋。因此，研究薄膜激光損傷，分析薄膜與強激光相互作用的過(guò)程及其結果，將會(huì )促進(jìn)強激光材料科學(xué)，強激光薄膜光學(xué)等新學(xué)科的形成與完善，因此具有重要的學(xué)術(shù)意義。

　　1、光學(xué)薄膜激光損傷機理研究進(jìn)展

　　當激光強度達到足夠高的量級時(shí)，材料將發(fā)生一系列不可逆的災難性的變化，通常將這種現象稱(chēng)為損傷。在過(guò)去的30年間，對激光誘導光學(xué)材料和膜層損傷的理論、物理機制、損傷的檢測以及提高材料抗損傷的方法研究已經(jīng)成為高功率激光研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，SPIE激光損傷專(zhuān)題國際學(xué)術(shù)會(huì )議年年召開(kāi)，與會(huì )者眾多，足以說(shuō)明激光誘導損傷問(wèn)題的復雜性。激光對光學(xué)薄膜的損傷過(guò)程是一個(gè)復雜的過(guò)程，對于不同的薄膜材料、制備方法、激光參數和作用模式[，破壞過(guò)程和損傷機理都有很大差異性，這里包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)過(guò)程、場(chǎng)擊穿過(guò)程等，但最基本的還是熱過(guò)程，光通過(guò)本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線(xiàn)性吸收轉化為熱，由熱熔融或熱力耦合導致薄膜的最終損傷。在大量的實(shí)驗研究與理論分析的基礎上，人們提出了雪崩離化、多光子吸收、雜質(zhì)吸收、節瘤缺陷以及熱爆炸模型破壞，等破壞機制，當然這些機制并不是普適的，在激光與薄膜相互作用過(guò)程中可能包括了多個(gè)過(guò)程或多種機制的耦合，由于破壞過(guò)程時(shí)間短，作用區域小，大多數分析都只能是針對破壞后的特性進(jìn)行的，這給確切了解破壞過(guò)程帶來(lái)很大難度。

　　綜合來(lái)說(shuō)，多種機制的產(chǎn)生一方面說(shuō)明激光與薄膜相互作用過(guò)程的復雜性，而另一方面也說(shuō)明了人們對光學(xué)薄膜的激光損傷機制的認識是在不斷地發(fā)展的。雖然各種機制都有其局限性，都是試圖從某一個(gè)角度出發(fā)對激光與薄膜作用過(guò)程進(jìn)行闡釋?zhuān)趯?shí)際工作中，各種機制都為我們進(jìn)一步提高薄膜的抗激光損傷性能指明了方向。理論界的工作者已傾向于綜合考慮以多種機理的融合、貫通以求建立更完整的理論模型。幾十年來(lái)，高功率激光薄膜及其激光破壞問(wèn)題得到了長(cháng)足的改進(jìn)和發(fā)展。

　　2、高能激光對光學(xué)薄膜的破壞

　　較高功率激光的持續作用會(huì )產(chǎn)生幾個(gè)基本的物理過(guò)程。一方面，薄膜在制備過(guò)程中產(chǎn)生的原發(fā)性缺陷，諸如節瘤，雜質(zhì)等，在激光作用下會(huì )直接破壞，并不斷擴大，另一方面，通過(guò)光化學(xué)，光離化，光熱，光聲等多種效應產(chǎn)生諸如缺陷等繼發(fā)性缺陷在后續激光的作用下被摧毀產(chǎn)生新的破壞。當能量足夠高時(shí)，激光的熱力過(guò)程本身就會(huì )累積增加。具體的規律，因材料和工藝而異。有些缺陷，在激光停止作用后會(huì )恢復，其破壞狀態(tài)是瞬時(shí)的，有些微損傷卻繼續保留，當激光再次作用時(shí)，破壞會(huì )繼續發(fā)展。這種破壞是永久性的。薄膜破壞的累積效應是與缺陷相關(guān)聯(lián)的，抑制原發(fā)性缺陷的形成，消除繼發(fā)性缺陷的誘因，有可能大幅度提高多脈沖激光作用下薄膜的破壞閾值。

　　高能激光誘發(fā)的損傷現象主要有以下幾種：

　　1)激光在材料傳輸過(guò)程中產(chǎn)生橫向受激布里淵散射效應，激發(fā)聲波導致的材料機械損傷;

　　2) 由于光學(xué)元件內的材料雜質(zhì)在加工過(guò)程中引入的亞表面損傷，表面附著(zhù)的灰塵和污漬以及劃痕等缺陷對激光的衍射效應導致激光近場(chǎng)出現大量中高頻調制，帶有調制的光束在后續介質(zhì)傳輸，光束近場(chǎng)可能會(huì )形成局部強區(非線(xiàn)性熱像)，從而引起光學(xué)元件表面點(diǎn)狀損傷和材料內部出現自聚焦絲，當局部強區的激光通量超過(guò)光學(xué)元件的損傷閾值時(shí)，元件將會(huì )被損傷;

　　3)激光在傳輸過(guò)程中被光學(xué)元件上的遮光物調制，攜帶調制信息的激光光場(chǎng)在下游光學(xué)元件中傳輸，調制部分的B積分增長(cháng)很快，到一定量后光場(chǎng)將出現局部熱像，熱像強度是平均光強的好幾倍，容易造成下游光學(xué)元件損傷;

　　4) 在激光器運行中，光學(xué)元件排布密集的復雜光機結構中，部分雜散光和鬼光束不可避免的要照射到光機組件的金屬筒壁上，當光強足夠大時(shí)，金屬筒壁濺射的金屬污染顆粒會(huì )沉積到光學(xué)元件表面上，在后續激光輻照下，這些金屬顆粒與激光相互作用生成的等離子體將強烈吸收激光能量，使元件表面熱熔或炸裂，污染和元件的初始缺陷是誘發(fā)激光損傷的主要原因。

　　3、光電檢測技術(shù)原理及其發(fā)展趨勢

　　3.1、光電檢測技術(shù)的原理

　　光電檢測技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它是以激光、紅外、光纖等現代光電子器件作為基礎，通過(guò)對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接收光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數轉換接口輸入計算機運算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數。

　　光電檢測技術(shù)主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光測量技術(shù)以及測量信息的光電處理技術(shù)等。主要有如下特點(diǎn)：

　　1)精度高。激光干涉法測量長(cháng)度的精度可達0.05μm/m;用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可以達到1m。

　　2)高速度。光電檢測技術(shù)以光為媒介，而光的傳播速度非?？?，無(wú)疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。

　　3)距離遠、大量程。光是最便于遠距離傳輸的介質(zhì)，尤其適用于遙控和遙測，如光電跟蹤等。

　　4)非接觸測量。光照到被測物體上可以認為是沒(méi)有測量力的，因此也無(wú)摩擦，可以實(shí)現動(dòng)態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的。

　　3.2、光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　通過(guò)上面對光電檢測技術(shù)的原理和特點(diǎn)的分析，同時(shí)隨著(zhù)各國在技術(shù)創(chuàng )新方面的日新月異，光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現在：

　　向高精度方向發(fā)展：檢測精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米高精度的光電檢測新技術(shù)是今后的發(fā)展熱點(diǎn);

　　向智能化方向發(fā)展：檢測系統向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù);

　　向數字化方向發(fā)展：檢測結果向數字化，實(shí)現光電測量與光電控制一體化方向發(fā)展;

　　向多元化方向發(fā)展：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數、多維測量等多元化方向發(fā)展，并向人們無(wú)法觸及的領(lǐng)域發(fā)展，如微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù);

　　向微型化方向發(fā)展：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展，光電檢測系統朝著(zhù)小型、快速的微型光機電檢測系統發(fā)展;

　　向自動(dòng)化方向發(fā)展：檢測技術(shù)向自動(dòng)化、非接觸、快速在線(xiàn)測量方向發(fā)展，檢測狀態(tài)向動(dòng)態(tài)測量方向發(fā)展。

　　光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是與科技的整體發(fā)展趨勢相適應的，還有一些是自己所特有的，整體上來(lái)說(shuō)，是向著(zhù)高精度、高速度方向發(fā)展。

　　4、損傷閾值定義的發(fā)展

　　數十年來(lái)，光學(xué)薄膜激光損傷機制的研究取得了長(cháng)足進(jìn)步，同時(shí)伴隨損傷閾值測試手段以及損傷閾值定義的較大發(fā)展。

　　當輻照激光能量密度較低時(shí)，光學(xué)薄膜的損傷主要由各類(lèi)缺陷引起。由于薄膜本身的結構比較復雜，并且制備工藝繁瑣，容易形成各類(lèi)缺陷;貯存、運輸等各個(gè)環(huán)節都可能引入各種污染，所以薄膜內部及其表面各類(lèi)缺陷的分布非常復雜，相互之間的損傷閾值存在較大差異，這樣在一定的能量密度范圍內損傷往往呈現出概率性。因此，在功能性損傷閾值定義出現以前薄膜的損傷閾值都是以幾率方式確定的。80年代之前多數采用的是50%幾率損傷閾值， 定義為被檢測薄膜的最大的不損傷能量和最小損傷能量的平均值。

　　50%損傷閾值不確定性較大，并且存在所謂的“光斑效應”，即測試得到的損傷閾值對光斑尺寸的依賴(lài)性，這樣導致同一樣品在各實(shí)驗室測得的損傷閾值有較大差異，體現了薄膜缺陷損傷的特點(diǎn)以及該定義的缺點(diǎn)。

　　50% 幾率損傷閾值定義的缺點(diǎn)推動(dòng)了損傷閾值檢測技術(shù)的研究與發(fā)展。80年代后期，薄膜的損傷閾值開(kāi)始用零幾率損傷閾值定義，它表示的是損傷幾率恰好為零時(shí)對應激光的能量密度。其獲取方法如下：用不同的能量等級對待測樣品進(jìn)行檢測，得到對應的損傷幾率，在激光能量和損傷幾率的坐標系中記下相應的位置，然后對這些幾率做線(xiàn)性擬合，該直線(xiàn)與能量軸的交點(diǎn)便是零幾率損傷閾值。相比于50%閾值，零幾率損傷閾值的不確定性要小很多;從應用角度來(lái)看，數值的可參考性也更大，更為重要的是，零幾率損傷閾值定義從理論上消除了測試中的光斑效應。為了減小零幾率損傷閾值的不確定性，在檢測過(guò)程中能量等級應多一些，每一等級的測試點(diǎn)也應多一些，特別是20%-60%(或80%)的中間區域，此外要準確找到零幾率的能量值，一般測試中選10 個(gè)能量等級，每個(gè)等級不小于10 個(gè)作用點(diǎn)。

　　無(wú)論是50%幾率損傷閾值定義還是0%幾率損傷閾值定義都是以器質(zhì)性變化作為損傷產(chǎn)生的判斷依據，也就是說(shuō)只要激光輻照后樣品表面或內部出現可見(jiàn)的不可逆變化即認為產(chǎn)生了損傷，無(wú)論該變化是否影響其所在光學(xué)系統的整體性能。實(shí)際上光學(xué)薄膜的損傷有相當一部分由各類(lèi)缺陷引起，其激光損傷特點(diǎn)是概率性強、面積小且在一定條件下能夠保持穩定;而以目前的制備技術(shù)，完全消除缺陷是不可能的，顯然這非常不利于光學(xué)薄膜元件的充分利用?；谝恍┘す庀到y允許其元件有一定程度的損傷的事實(shí)，Stolz等人提出了功能性損傷閾值的定義。

　　所謂功能性損傷閾值，就是指激光輻照之后引起光學(xué)元件的變化不足以影響系統整體性能的最大能量密度。該定義下?lián)p傷產(chǎn)生與否的判斷標準為系統的整體性能，主要表現為兩個(gè)方面：首先，激光輻照產(chǎn)生的變化應足夠小，不能改變元件的光學(xué)特性，諸如反射率、透過(guò)率等，也不能改變傳輸光束的特性，不至于影響元件在系統中的整體表現;其次，該變化應該是穩定的，在其所處系統正常工作的環(huán)境中不會(huì )發(fā)展成為災難性損傷。

　　顯然，功能性損傷不僅要考慮元件在一次激光輻照下的表現，還要考慮在以后多次激光作用下的結果;不僅要考慮元件本身的性能，還要考慮其所屬系統對其的要求及其性能表現。

　　5、結語(yǔ)

　　本章主要介紹了研究光學(xué)薄膜激光損傷檢測研究的背景和意義、光學(xué)薄膜激光損傷機理研究進(jìn)展、高能激光對光學(xué)薄膜的破壞、光電檢測技術(shù)原理及其發(fā)展趨勢以及光學(xué)元件損傷閾值定義的發(fā)展。光學(xué)薄膜幾乎是所有光學(xué)系統中不可缺少的基本元件，并且也是激光系統中最薄弱的環(huán)節之一。光學(xué)薄膜中如果出現十分微小的瑕疵，會(huì )導致輸出光束質(zhì)量的下降，嚴重時(shí)將引起整個(gè)系統的癱瘓，光學(xué)薄膜的抗損傷特性將直接影響到整個(gè)系統的設計方案以及今后系統運行的性能。

激光對光學(xué)薄膜的損傷是一個(gè)復雜的過(guò)程，它由作用激光和光學(xué)薄膜的性質(zhì)兩方面決定。不同的激光參數條件對同一薄膜會(huì )產(chǎn)生不同的損傷結果。損傷最基本的還是熱過(guò)程，光通過(guò)本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線(xiàn)性吸收轉化為熱，由熱熔融或熱力耦合導致薄膜的最終損傷。激光損傷檢測的光電檢測技術(shù)的研究成為了光電信息技術(shù)的研究重點(diǎn)，重要的是檢測系統能夠對光學(xué)元件的損傷進(jìn)行在線(xiàn)監測。光電檢測技術(shù)是以激光、紅外、光纖等現代光電子器件作為基礎，通過(guò)對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接受光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數轉換接口輸入計算機運算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數。

現今光電檢測技術(shù)正向著(zhù)高精度、高速度方向發(fā)展。光學(xué)元件在高能激光輻照下的損傷閾值一直是相關(guān)課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。80 年代之前采用的50%幾率損傷閾值， 定義為被檢測薄膜的最大的不損傷能量和最小損傷能量的平均值，不確定性較大。80 年代后期出現的零幾率損傷閾值定義為損傷幾率恰好為零時(shí)對應激光的能量密度。后來(lái)提出了功能性損傷閾值，就是指激光輻照之后引起光學(xué)元件的變化不足以影響系統整體性能的最大能量密度。

更多關(guān)于產(chǎn)品詳情與技術(shù)解釋?zhuān)凑堦P(guān)注官網(wǎng)：深圳市激埃特光電有限公司