一種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置及識(shí)別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別方法及裝置，通過采集質(zhì)荷比分布，用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行質(zhì)譜分析與元素判別，就能確定所毀傷材料中包含的元素種類，從而準(zhǔn)確、在線、快速判別出薄膜是否發(fā)生損傷。采用該方法的裝置由測試樣品臺(tái)、質(zhì)荷比采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)運(yùn)算系統(tǒng)組成。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在線、實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確判別薄膜或光學(xué)元件在強(qiáng)激光下的毀傷狀態(tài)。將該方法應(yīng)用于激光損傷閾值測試中，可實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的集成化、自動(dòng)化、智能化。
【專利說明】一種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置及識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種光學(xué)薄膜毀傷的判別方法，特別涉及一種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置及識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在高能激光系統(tǒng)中，存在著各種各樣的光學(xué)元件和薄膜器件，這些元件的抗激光毀傷性能與光學(xué)系統(tǒng)的正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)密不可分。激光損傷閾值(LIDT)是衡量薄膜和光學(xué)元件這一性能的重要指標(biāo)，而目前對激光損傷閾值的測試仍然存在著許多問題。在激光損傷閾值測試過程中，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速、在線的判別薄膜毀傷成為研究的核心一環(huán)。因此，為得到薄膜的激光損傷閾值，首要的條件是對薄膜在強(qiáng)激光作用下是否發(fā)生損毀做出快速準(zhǔn)確的判別，即薄膜發(fā)生怎樣的變化就認(rèn)為發(fā)生了毀傷。
[0003]目前判別薄膜及光學(xué)元件毀傷的方法主要有相襯顯微法、散射光強(qiáng)檢測法、等離子體閃光法、光聲測量法、光熱法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中相襯顯微法是國際標(biāo)準(zhǔn)IS011254所推薦的一種檢測方法，這種方法采用放大倍率為100-150倍的Normaski顯微鏡對激光輻照后的表面進(jìn)行觀測，以判別薄膜是否發(fā)生毀傷，該方法的主觀性很強(qiáng)，而且工作強(qiáng)度大，測試效率低，難以實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化。散射光強(qiáng)檢測法的原理是:當(dāng)激光以一定的角度斜入射到樣品上時(shí)，如果表面的反射點(diǎn)處無疵點(diǎn)，則反射光將按幾何光學(xué)給出的規(guī)律反射，若不讓反射主光線進(jìn)入光電接收器，就幾乎沒有電信號(hào)輸出。當(dāng)表面的反射點(diǎn)處不光滑，或被激光輻照后產(chǎn)生毀傷，則主光線中相當(dāng)部分能量不能定向反射，而是產(chǎn)生散射，對應(yīng)光電接收器就有電信號(hào)輸出，通過探測光電接收器有無電信號(hào)輸出，實(shí)際上是探測激光輻射前后電信號(hào)的變化就可判斷激光照射點(diǎn)處樣品是否毀傷，此方法對被測樣品表面的光潔度要求高，如果激光輻射前表面光潔度不夠，即使激光輻射引起了毀傷，探測器輸出電信號(hào)也不會(huì)有太大的變化，因而不能準(zhǔn)確地進(jìn)行毀傷判別。
[0004]等離子體閃光法也是判別激光毀傷的一種常用方法，該方法的機(jī)理是基于高功率激光與光學(xué)表面相互作用時(shí)將離化構(gòu)成光學(xué)表面的物質(zhì)，從而產(chǎn)生自由電子和離子，即等離子體。因此，通過光敏元件探測激光與光學(xué)表面相互作用時(shí)的等離子體閃光就可以判斷是否存在毀傷。通常，檢測激光為單色光(如氦氖激光的波長為632.8nm)，而等離子體閃光為復(fù)色光，因此需要消除作用激光對應(yīng)的光譜，才可以準(zhǔn)確探測到等離子體閃光，即可判別是否在光學(xué)表面有毀傷的現(xiàn)象。常規(guī)的等離子體閃光判別法是在光學(xué)表面附近安裝一光電接收器件，當(dāng)存在閃光時(shí)，光電接收器件將輸出一電平信號(hào)，這是目前國內(nèi)外基于等離子體閃光判別薄膜是否毀傷的常規(guī)方法，即以光強(qiáng)變化作為損傷與否的判據(jù)。然而，當(dāng)激光的強(qiáng)度足夠高時(shí)，大氣也會(huì)發(fā)生擊穿，出現(xiàn)等離子體閃光現(xiàn)象。當(dāng)強(qiáng)激光作用于薄膜表面并發(fā)生等離子體閃光時(shí)，在大多數(shù)情況下，得到的是薄膜和大氣的復(fù)合等離子體，或者僅僅得到的是大氣等離子體閃光，因此，采用探測光強(qiáng)的方式來判別薄膜是否發(fā)生毀傷，造成實(shí)際測試的“誤判”現(xiàn)象不可避免。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置及識(shí)別方法，該裝置及方法能夠適用于各類光學(xué)元件及鍍膜元件表面的在線判別，且具有快速、高精度、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，包括激光器以及測試樣品；測試樣品安裝于測試樣品臺(tái)上，激光器正對測試樣品的待測表面，測試樣品臺(tái)的一側(cè)設(shè)置有用于加速經(jīng)激光輻照樣品所濺射出的微粒，并形成準(zhǔn)直粒子束的加速電極，且測試樣品臺(tái)與加速電極之間還設(shè)置有用于提高離子含量的電子源；加速電極的后端設(shè)置使離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁場，與加速電極平行的一側(cè)設(shè)置有用于接收不同偏轉(zhuǎn)半徑的離子的若干接收電極；接收電極的輸出端均連接到A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端上，A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸出端連接有用于生成濺射粒子質(zhì)荷比譜圖的計(jì)算機(jī)。
[0008]所述的激光器為能使測試樣品表面薄膜毀傷的高能量激光器。
[0009]所述激光的波長為1064nm，脈寬為10ns，單脈沖能量為400mJ。
[0010]所述的測試樣品臺(tái)為由步進(jìn)電機(jī)控制的二維移動(dòng)平臺(tái)。
[0011]所述的磁場為勻強(qiáng)磁場。
[0012]所述的若干接收電極并排平行設(shè)置。
[0013]所述的計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)有元素的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比。
[0014]一種光學(xué)薄膜激光毀傷識(shí)別方法，包括以下步驟:
[0015]I)首先，安裝測試裝置，將激光器的激光發(fā)射端正對夾持在測試樣品臺(tái)上的測試樣品，接著在測試樣品臺(tái)的一側(cè)設(shè)置加速電場，將電子源置于測試樣品臺(tái)與加速電場之間，每個(gè)接收電極均與加速電極平行設(shè)置，且加速電極和接收電極均與磁場相鄰，最后再依次連接接收電極、A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)；
[0016]2)接著，打開激光器以及計(jì)算機(jī)，測試樣品的薄膜表面受到激光輻照破損后，破損區(qū)的微粒向空間濺射，濺射出的微粒經(jīng)過電子源后進(jìn)入加速電極，經(jīng)過加速電極之間的加速電場進(jìn)入加速電極后方的磁場，離子在磁場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而射出磁場被若干接收電極接收，接收電極將接收到的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)生成濺射粒子的質(zhì)荷比譜圖；
[0017]3)根據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中元素的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比，確定濺射物的元素組成，最終通過對比標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比就能直接判斷出測試樣品是否發(fā)生了毀傷。
[0018]所述的步驟3)中，判斷測試樣品是否發(fā)生毀傷的方法具體為:
[0019]將步驟2)中得到的濺射粒子的質(zhì)量譜圖與大氣中的元素進(jìn)行對比，如果有新出現(xiàn)的元素，即該元素不屬于大氣中的元素，則測試樣品發(fā)生了毀傷；反之，則測試樣品完好。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]本發(fā)明光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，采用激光輻照測試樣品表面，其毀傷部分會(huì)氣化或噴濺出微粒，經(jīng)加速電極加速后進(jìn)入磁場，離子在磁場力的作用下偏轉(zhuǎn)并射出磁場，被設(shè)置在磁場外側(cè)的接收電極所接收，并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)，最終得到濺射微粒的質(zhì)荷比譜圖。本發(fā)明不以光學(xué)或電學(xué)信號(hào)的變化作為毀傷的判據(jù)，而是采用質(zhì)譜分析噴射物中包含的元素組分，相比較傳統(tǒng)判別方法，不僅判別精度高，不存在“誤判”現(xiàn)象，真空的測試環(huán)境保證了測試的干擾小，而且判別速度快，對薄膜激光損傷的判別可以在Is內(nèi)完成；同時(shí)，本發(fā)明判別薄膜的種類范圍寬，無論是反射膜、增透膜、薄膜、厚膜均可實(shí)現(xiàn)高精度的判別。最后，由于濺射出的微粒中大部分為離子，一部分是中性原子，為了提高離子含量，在加速電極與測試樣品臺(tái)之間設(shè)置電子源，使濺射出的中性原子也發(fā)生電離，從而提高了噴濺微粒的離化率。
[0022]本發(fā)明光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別方法，采用質(zhì)譜采集、分析的方法確定所毀傷材料中包含的元素種類，而不是采用光電探測器件接受光強(qiáng)或散射信號(hào)，也不是采用CCD采集圖像，將采集到的元素種類與大氣元素進(jìn)行對比，進(jìn)而可以判別薄膜表面是否發(fā)生毀傷。同時(shí)，測試過程中，樣片位置固定，不需要移走測試，而是在線捕獲目標(biāo)，實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行分析處理，達(dá)到準(zhǔn)確判斷薄膜是否毀傷的目的。
[0023]進(jìn)一步的，本發(fā)明采用毀傷樣品元素質(zhì)譜分析來判別薄膜或光學(xué)元件是否發(fā)生毀傷，即以“確定出毀傷體中的元素分布”作為薄膜或光學(xué)元件是否毀傷的判據(jù)，從而可有效排除雜質(zhì)、粉塵或周圍氣氛的干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明光學(xué)薄膜激光毀傷識(shí)別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]其中，I為激光器；2為測試樣品；3為電子源；4為加速電極；5為磁場；6為接收電極；7為A/D轉(zhuǎn)換器；8為計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明:
[0027]參見圖1，本發(fā)明光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，包括激光器I以及測試樣品2，激光器I為能使測試樣品2表面薄膜毀傷的高能量激光器，且激光的波長為1064nm，脈寬為10ns，最大單脈沖能量為400mJ ;測試樣品2安裝于測試樣品臺(tái)9上，測試樣品臺(tái)9為由步進(jìn)電機(jī)控制的二維移動(dòng)平臺(tái)；激光器I正對測試樣品2的待測表面，測試樣品臺(tái)9的一側(cè)設(shè)置有用于加速經(jīng)激光輻照樣品所濺射出的微粒，并形成準(zhǔn)直粒子束的加速電極4，且測試樣品臺(tái)9與加速電極4之間還設(shè)置有用于提高離子含量的電子源3 ;加速電極4的后端設(shè)置使離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁場5,其中,磁場5為勻強(qiáng)磁場。與加速電極4平行的一側(cè)設(shè)置有用于接收不同偏轉(zhuǎn)半徑的離子的若干并排平行設(shè)置的接收電極6 ;接收電極6的輸出端均連接到A/D轉(zhuǎn)換器7的信號(hào)輸入端上，A/D轉(zhuǎn)換器7的信號(hào)輸出端連接有計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8根據(jù)存儲(chǔ)在其內(nèi)部的元素的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比，生成濺射粒子質(zhì)量譜圖。
[0028]本發(fā)明還公開了一種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別方法，包括以下步驟:
[0029]I)首先，安裝測試裝置，將激光器的激光發(fā)射端正對夾持在測試樣品臺(tái)上的測試樣品，接著在測試樣品臺(tái)的一側(cè)設(shè)置加速電場，將電子源置于測試樣品臺(tái)與加速電場之間，每個(gè)接收電極均與加速電極平行設(shè)置，且加速電極和接收電極均與磁場相鄰，最后再依次連接接收電極、A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)；
[0030]2)接著，打開激光器以及計(jì)算機(jī)，測試樣品的薄膜表面受到激光輻照破損后，破損區(qū)的微粒向空間濺射，濺射出的微粒經(jīng)過電子源后進(jìn)入加速電極，經(jīng)過加速電極之間的加速電場進(jìn)入加速電極后方的磁場，離子在磁場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終射出磁場被若干接收電極接收，接收電極將接收到的脈沖模擬信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)生成濺射粒子的質(zhì)荷比譜圖；
[0031]3)根據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中元素的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比，確定濺射物的元素組成，就能直接判斷出測試樣品是否發(fā)生了毀傷。具體的，將步驟2)中得到的濺射粒子的質(zhì)荷比譜圖與大氣中的元素進(jìn)行對比，如果有新出現(xiàn)的不屬于大氣中的元素，則測試樣品發(fā)生了毀傷；反之，則測試樣品完好。
[0032]本發(fā)明的原理:
[0033]本發(fā)明采用的薄膜毀傷的判別方法，不同于常規(guī)的判別方法。該方法的核心在于，不以光學(xué)或電學(xué)信號(hào)的變化作為毀傷的判據(jù)，而是采用元素分析的方法，采集質(zhì)譜并分析噴濺物中包含的元素組分，就能直接判斷出是否樣品發(fā)生了毀傷。其判斷的基本原理是:大功率、高能量激光的輻射下，光學(xué)元件或薄膜表面微區(qū)內(nèi)通常在極短時(shí)間內(nèi)(納秒量級(jí))聚集了極高的能量(毫焦耳)，從而使材料局部劇烈氣化，嚴(yán)重時(shí)還可能發(fā)出閃光。氣化或噴濺出的微粒，其中大部分為離子，一部分是中性原子。經(jīng)過電子源后，其中的中性原子也發(fā)生電離，從而提高了噴濺微粒的離化率。離子經(jīng)電場后形成準(zhǔn)直離子束，進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中。
[0034]如果離子所帶電量為q，質(zhì)量為m、速度為V，其垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，則旋轉(zhuǎn)的圓運(yùn)動(dòng)半徑為:
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，其特征在于:包括激光器(1)以及測試樣品(2);測試樣品(2)安裝于測試樣品臺(tái)(9)上，激光器(1)正對測試樣品(2)的待測表面，測試樣品臺(tái)(9)的一側(cè)設(shè)置有用于加速經(jīng)激光輻照樣品所濺射出的微粒，并形成準(zhǔn)直粒子束的加速電極(4)，且測試樣品臺(tái)(9)與加速電極(4)之間還設(shè)置有用于提高離子含量的電子源(3);加速電極(4)的后端設(shè)置使離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁場(5)，與加速電極(4)平行的一側(cè)設(shè)置有用于接收不同偏轉(zhuǎn)半徑的離子的若干接收電極(6);接收電極(6)的輸出端均連接到A/D轉(zhuǎn)換器(7)的信號(hào)輸入端上，A/D轉(zhuǎn)換器(7)的信號(hào)輸出端連接有用于生成濺射粒子質(zhì)荷比譜圖的計(jì)算機(jī)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，其特征在于:所述的激光器(I)為能使測試樣品(2)表面薄膜毀傷的高能量激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，其特征在于:所述激光的波長為1064nm，脈寬為10ns，單脈沖能量為400mJ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，其特征在于:所述的測試樣品臺(tái)(9)為由步進(jìn)電機(jī)控制的二維移動(dòng)平臺(tái)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，其特征在于:所述的磁場(5)為勻強(qiáng)磁場。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，其特征在于:所述的若干接收電極(6)并排平行設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)薄膜激光毀傷的識(shí)別裝置，其特征在于:所述的計(jì)算機(jī)(8)中存儲(chǔ)有元素的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比。
8.一種采用權(quán)利要求1所述光學(xué)薄膜激光毀傷識(shí)別裝置的識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)首先，安裝測試裝置，將激光器的激光發(fā)射端正對夾持在測試樣品臺(tái)上的測試樣品，接著在測試樣品臺(tái)的一側(cè)設(shè)置加速電場，將電子源置于測試樣品臺(tái)與加速電場之間，每個(gè)接收電極均與加速電極平行設(shè)置，且加速電極和接收電極均與磁場相鄰，最后再依次連接接收電極、A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)； 2)接著，打開激光器以及計(jì)算機(jī)，測試樣品的薄膜表面受到激光輻照破損后，破損區(qū)的微粒向空間濺射，濺射出的微粒經(jīng)過電子源后進(jìn)入加速電極，經(jīng)過加速電極之間的加速電場進(jìn)入加速電極后方的磁場，離子在磁場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而射出磁場被若干接收電極接收，接收電極將接收到的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)生成濺射粒子的質(zhì)荷比譜圖； 3)根據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中元素的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比，確定濺射物的元素組成，最終通過對比標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)荷比就能直接判斷出測試樣品是否發(fā)生了毀傷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)薄膜激光毀傷識(shí)別方法，其特征在于:所述的步驟3)中，判斷測試樣品是否發(fā)生毀傷的方法具體為: 將步驟2)中得到的濺射粒子的質(zhì)量譜圖與大氣中的元素進(jìn)行對比，如果有新出現(xiàn)的元素，即該元素不屬于大氣中的元素，則測試樣品發(fā)生了毀傷；反之，則測試樣品完好。
【文檔編號(hào)】G01N27/64GK103954680SQ201410200783
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】蘇俊宏, 徐均琪, 惠迎雪, 梁海鋒, 楊利紅, 李建超 申請人:西安工業(yè)大學(xué)