從二十世紀中葉人類發(fā)明激光以來，激光器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已由“一束單色脈沖紅光”發(fā)展成一個龐大的體系，向著更高功率、更窄脈寬、更短波段邁進，并運用到各個領域。例如，中國神光Ⅱ三倍頻激光器平均功率密度為0.66GW/cm2，最大可達1GW/cm2;還增加了高能皮秒拍瓦(PW，1015W)級激光系統(tǒng)，超強飛秒(10-15s)激光系統(tǒng)等[1]。在工業(yè)、科研以及軍事等領域運用廣泛的連續(xù)激光器，已實現(xiàn)百千瓦級的連續(xù)光輸出。更高功率、更窄脈沖、更短波段的應用導向，也對光學元件抗激光損傷能力提出更多挑戰(zhàn)。
高抗激光損傷光學元件，在激光工業(yè)制造中主要有如下應用：
1 萬瓦級光纖激光器
隨著國內(nèi)制造業(yè)的智能制造轉(zhuǎn)型升級，激光切割、激光焊接已廣泛應用于如汽車制造、航空航天、各類高端金屬/非金屬的加工與處理中，一大批萬瓦級高功率激光器應運而生，相應地催生了高抗損傷激光光學元件的市場需求。
圖1 光纖激光在激光切割的應用[2]
2 高功率紫外激光器
紫外激光器具有其它激光器所不具備的優(yōu)勢，由于紫外激光熱影響區(qū)域小、聚焦性好，因此可以達到較高的加工精度。紫外激光設備已經(jīng)被應用于超精細加工高端市場，如3C、柔性PCB板的表面打標、劃片，以及硅晶圓片微孔、盲孔加工。一些材料對可見和紅外激光吸收弱導致加工效率低，而紫外激光光子能量高，大部分材料都能高效吸收紫外光，但與此相矛盾的是，激光光學元件在紫外區(qū)的吸收，也限制了其抗激光損傷閾值，是高功率紫外激光器發(fā)展的關鍵“瓶頸”之一。
圖2 紫外激光進行深度雕刻[3]
激光損傷閾值的定義
激光損傷閾值(Laser-induced damage threshold，簡稱LIDT)，是表征被激光輻照的介質(zhì)抗激光損傷能力的重要參量。激光損傷是指在激光作用下，光學材料或光學薄膜的性能或結(jié)構發(fā)生可以探測的永久性變化。激光能量的高度集中會引起介質(zhì)內(nèi)部或表面的局部變形甚至完全被損壞，介質(zhì)在單位面積上所能承受的最大激光功率，稱為該介質(zhì)的激光損傷閾值。
激光損傷的機理
激光誘導光學元件損傷涉及激光與光學元件相互作用過程中包括光致電離、雜質(zhì)吸收、自焦距、受激布里淵散射、非線性吸收、光學擊穿和激光等離子體等多種物理機制[4]。C.R.Giuliano首次對激光引起光學材料損傷機理進行了研究[5]，1973年將激光誘導光學材料的破壞總結(jié)為三個主要原因，即材料中包含的微粒雜質(zhì)、材料中的自聚焦和表面形成等離子體產(chǎn)生的損傷[6]。
對于現(xiàn)代激光光學元件的工業(yè)加工而言，提高光學元件激光損傷閾值的挑戰(zhàn)主要來源于光學材料自身、冷加工過程形成的拋光表面缺陷以及鍍膜膜層缺陷等：
光學元件基底材料的本征吸收、非線性特性以及熱和機械性能對其損傷閾值的高低皆有一定影響[4];
冷加工過程中，由于機械拉力和磨料嵌入等原因，會形成亞表面缺陷。亞表面缺陷誘導激光損傷的機理主要歸結(jié)為三個方面：缺陷中包含大量的吸收性雜質(zhì)導致的熱破壞，亞表面缺陷對入射光場的調(diào)制引起的場破壞，表面缺陷使得光學元件的表面機械性能弱化，抗激光損傷能力降低[7];
薄膜材料的微弱吸收、膜層的微觀缺陷以及膜層內(nèi)電場分布情況等因素，都可能在強激光作用下引發(fā)激光損傷。
在光學元件的激光損傷機理方面基于大量的理論研究和現(xiàn)場測試，積累了豐富的經(jīng)驗。通過對標準化的損傷測試和顯微損傷形貌分析等一手資料的研究比對，我們的工程師團隊認識到影響激光損傷閾值有多方面因素，是一個系統(tǒng)復雜工程：材料選擇、拋光工藝、表面質(zhì)量、清洗工藝、膜層材料、膜系結(jié)構、沉積工藝、鍍后處理等等都會對激光損傷閾值產(chǎn)生影響。為此，若僅從光學材料、拋光工藝或是僅鍍膜工藝一方面著手改善工藝，是不足以極大層面的提升光學元件的整體抗損激光傷能力。
圖3 100倍顯微鏡下光學元件基底損傷 圖4 100倍顯微鏡下光學元件膜層損傷
高損傷閾值產(chǎn)品的控制方法
基于系統(tǒng)思維進行的系列研究，總結(jié)了一套完整的高功率激光元器件的生產(chǎn)控制方法，形成了一套完整的高功率激光產(chǎn)品加工閉合鏈。
1 材料方面
對于有高抗損傷閾值要求的光學元件產(chǎn)品，基底材料選用上優(yōu)先考慮抗高損傷、低吸收、低羥基(OH)等參數(shù)，如Corning7980 ArF、Corning7980 KrF、Corning7979、Suprasil 300等，再根據(jù)客戶的使用波長選定相應的玻璃牌號。
2 拋光方面
采用特殊的超光滑拋光工藝，白光干涉儀檢測拋光表面粗糙度可低于1埃，100倍顯微鏡下無任何劃痕和點子，表面質(zhì)量達到0/0。拋光是決定光學元件質(zhì)量最重要的工藝，極低的表面粗糙度和表面雜質(zhì)與缺陷可有效提升光學元件的抗強激光損傷能力。
圖5 采用Zygo New View 8300測量表面粗糙圖
3 鍍膜方面
采用離子束濺射(IBS)技術，通過優(yōu)化膜系設計方案和改進鍍膜工藝參數(shù)，可將膜層弱吸收控制到5ppm以下。極低的膜層吸收可大大降低激光作用在膜層上產(chǎn)生的熱影響，使得產(chǎn)品在強激光應用上具有更高的抗激光損傷能力。
圖6 1064nm增透膜層吸收曲線
采用上述超光滑拋光和超低吸收鍍膜技術加工的激光元器件，在第三方(USA Quantel-Laser)測試結(jié)果表明(以355nm為例)紫外激光波長的損傷閾值滿足設計要求， AR-355nm的損傷閾值達到22.9 J/cm2，見表1， HR-355nm的損傷閾值達到13.5 J/cm2，見圖7：
表1 355nm損傷測試數(shù)據(jù)(Tested By USA Quantel-Laser)
圖7 HR-355nm激光損傷測試結(jié)果(Tested By USA Quantel-Laser)
激光損傷閾值的測試
激光損傷的測試根據(jù)激光器的不同，分為連續(xù)波激光(CW)和脈沖激光損傷。
連續(xù)波 (CW) 激光器的損傷通常是由于光學鍍膜或基片吸收引起的熱效應造成的。脈沖激光產(chǎn)生的激光誘導損傷通常以介電擊穿為主，而對于較長的脈沖寬度或重復率較高的激光系統(tǒng)，損傷是由熱誘導損傷和介電擊穿結(jié)合引起的[8]。
測試中心主要依據(jù)ISO 11254和ISO 21254，采用脈沖激光進行測LIDT測試。參照ISO國際標準及其規(guī)范，我們組建了266nm、355nm、532nm和1064nm共四套LIDT測量系統(tǒng)，如圖8和圖9分別為266nm和1064nm的激光損傷閾值測試系統(tǒng)。
圖8 266nm激光損傷閾值測試系統(tǒng)
圖9 1064nm激光損傷閾值測試系統(tǒng)
損傷閾值測試方法有R-on-1，S-on-1，1-on-1和N-on-1，可根據(jù)產(chǎn)品的實際特性和客戶需求進行測試，從而監(jiān)控基底材料、拋光元件以及膜層表面的損傷閾值。通過損傷測試不僅可為產(chǎn)品激光損傷閾值的改善和提高提供依據(jù)，同時通過對每批次產(chǎn)品激光損傷閾值的一致性進行監(jiān)控，從而確保激光元器件在高功率條件下的優(yōu)良性能。
10四種損傷測試方法示意圖[9]
此文來自于：維科網(wǎng)激光