第47卷第8期 2017年8月
L A S E R&I N F R A R E D
Vol.47,No.8
August, 2017
文章编号:l〇〇l-5078(2017)08-0963-05 •激光应用技术•K9玻璃激光损伤的组合测试实验 李建超，苏俊宏，徐均琪，杨利红
(西安工业大学光电学院，陕西西安71〇〇21)
摘要：光学玻璃作为高功率激光器重要的光学元件，准确测量它的损伤阈值对系统性能研究 有重要意义。本文采用同批次K9玻璃进行了激光损伤测试实验，分别采用等离子体闪光法、图像法以及光谱法测试样品损伤阈值，实验结果表明：单纯等离子体闪光法、图像法、光谱法都 可能出现判别不准确情况，无法准确确定样品损伤阈值。采用光谱法和图像法组合测试方法 能够更可靠地得到损伤阈值。得到的K9在1064 p m波长下损伤阈值结果为22.47 J/cm2。 验证了组合测试方法的可靠性。
关键词：激光损伤;K9；测试实验
中图分类号:TN249 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1001-5078.2017.08.008
Combined test method of laser damage threshold for K9 glass
LI Jian-chao,SU Jun-hong,XU Jun-qi,YANG Li-hong
张天雄(School of Optoelectronic Engineering,Xi?an Technological University,Xi,an 710021,China)
Abstract ：Optical glass i s an important optical component in high power laser system,and i t i s very important t o measure i t s damage threshold. The laser damage t e s t experiments were carried out with the same batch of K9 glasses. The laser damage thresholds were tested by plasma flash,image analysis and spectral analysis. Experimental results show that single testing method can not accurately determine the damage threshold,but The combination of image analysis and spectral analysis can be more reliable to get damage threshold. The measured damage threshold of K9 in 1064 j j i m wavelength i s 22. 47 J/cm2,which verifies the r e l iability of the combined testing methods.
Key words ：laser damage ；K9 glass ；t e s t
i引言
随着高功率激光器在军事、工业方面的应用，激 光系统中的光学元件广泛采用了 K9玻璃，这些元 件是高功率激光器系统中的薄弱环节，一旦光学元 件发生损伤便可能使得激光器无法正常工作[1<。为此，准确获得K9玻璃的损伤阈值对系统安全就 显得尤为重要。
目前，国内外对光学薄膜损伤的判别方法主要 有相衬显微镜观察法、散射光检测法[3_4]、透射反射法[5]、图像法等。相衬显微镜观察法可准确判别薄 膜损伤，分析过程较长，不易在线检测。散射法检测 效率较高，但10%反射光能变化量作为损伤判据，其合理性有待研究。图像法可快速实现对薄膜损伤 的判别，但对不明显损伤不容易检测。
本文通过对薄膜损伤后激光诱导击穿光谱分析 结合图像法，提出了组合测试方法测试损伤阈值。此判识方法，更大程度上消除了误判，提高了损伤识 别准确度。
基金项目：国家自然科学基金项目（N。.61378050)；陕西省自然科学基础研究计划重点项目（N a 2016J Z025)；陕西省科学技术研究发展计划国际合作项目（N a2013 K W06)；西安工业大学校长基金项目（N a X A G D X J J 14038)资助。作者简介：李建超（1973 -)，男，硕士，副教授，主要从事薄膜制备及检测等方面的研究。E-m all:L jCh9999@163.c〇m
收稿日期=2017-01-04
964激光与红外第47卷
2损伤测试实验样品及装置
2.1样品
本测试样品采用厦门市益唯特玻璃有限公司生
产的K9玻璃，直径为25 mm，折射率为1.51680，阿
贝数为63. 96。
2.2激光损伤测试装置
测试原理如图1所示。
激光器弍扩束镜弍衰减器弍聚焦系统
a=1测试-舎系鐃结枸示意顧
Fig. 1Schematic diagram of test platform system
Nd :YAG激光器输出波长为1064 nm，输出功 率为固定值（输出误差±5%)，脉冲宽度为10 ns。衰减器系统可根据排列组合变换作用于被测样品的 激光能量。激光经过衰减器后通过分束镜，一部分 光反射至能量计探头上，进行实时能量的探测，透过 的光经过聚焦透镜汇聚在样品上，辐照在样品表面 的激光光斑直径约为1mm。样品置于电控二维平 台上，保证测试的连续性，光谱法采用荷兰Avantes 公司的AvaSpec Multi-channel多通道光纤光谱仪，光纤探头放置激光作用被测样品位置附近的后表面 处，通过测试激光损伤时等离子体的发射光谱获得 多段连续谱线。图像法测试的CCD为敏通公司的 MTV-1881EX，成像面尺寸为 8 mm x6 mm。
3测试实验过程
Nd :YAG激光器输出波长为1064 nm，脉冲宽 度为1〇 nS，通过控制系统手动逐点测试，通过相关 资料[6]得知K9损伤阈值在25 J/cm2，参考此值，测 试本系统在测试样品上激光光斑的直径，可大致确 定本系统激光输出能量值，确定测试激光输出能量 范围为20 ~ 300 mj。测试时，对样品同时采用图像 法，闪光法和光谱法，采集测试数据并处理。图像 法，通过系统自带的图像处理软件获得测试结果；采 用肉眼观测获得闪光法测试结果；光谱法，利用多路 光纤光谱仪采集光谱，编制程序，线下分析特征峰，获得损伤阈值。
4测试结果及分析
4.1样片的损伤形猊
4. 1. 1图像法采集的损伤形貌
图2为不同激光能量辐照下的K9表面损伤 形貌。
(a)45.15 mJ
(b)196.1 mJ
(c)233.5 mJ
图2不同激光能量辐照下的K9表面损伤形貌
Fig. 2 Surface damage morphology of
K9 irradiated by different laser energy
4. 1.2样片的损伤等离子体光谱
高能量激光打向样品，使得样品表面的材料吸收能量，产生等离子体。我们测量了激光聚焦在样品表面前约1mm位置时的激光等离子体光 谱。如图3所示，激光等离子体发射光谱由连续的背景光谱和叠加在其上的线性离散的元素光谱 组成。激光打人样品表面时，快速形成等离子体并迅速衰减，在等离子体形成初期便可以观察到很强的连续光谱，以背景光的形式存在，随时间的 推移，初始的等离子体膨胀为二级等离子体，便得 到我们所需要的特定元素的离散光谱。测试方法 中，为保证采集光谱的可靠性，对每个能量进行了
两次测试。
激光与红外No . 8 2017李建超等K 9玻璃激光损伤的组合测试实验965
249
250
251
252 253 254
255
256
Wavelength/nm (a) 176.45 mJ
图3不同测试激光能量下的光谱图
Fig. 3 Spectmm of different laser energies
4.2测试结果 4.2.1 闪光法阈值
激光损伤过程中总会伴随着闪光的出现，这 是由于样品中的原子吸收了脉冲激光能量后，从 稳定的价带跃迁至高能级的导带，并与周围的原 子发生弹性碰撞，是周围更多的原子获得能量，从 而发生雪崩电离，这些等离子体一部分会从样品 表面飞減出来，在短时间内以光子的形式退散，出 现闪光现象。肉眼观测实验过程中样品表面的闪 光，判断样品是否出现损伤。在这里我们将损伤 阈值定义为能够使光学元件损伤的最小能量密度
23 24 25 26 2728 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
damage threshold^J'cm'2)
中国民生发展报告2014张勃兴图4
图像法零几率损伤阈值拟合图
Fig. 4 Zero probability damage threshold fitting using image method
根据实验数据，利用最小二乘拟合得到K 9玻 璃的激光损伤阈值为25. 11 J /cm 2。4.2.3光谱法阈值
经过激光辐照，样品表面产生损伤，便会有等
值。测试结果如表1所本。
表1闪光法测试结果
Tab . 1 Test results using flash method
Energy/ m J 20. 2822. 5329.4033. 8639.2145. 0745. 15是否闪光No No No No No No No Energy/ m J 5L 8958.8167.7375. 1211. 8498.02112.8是否闪光
No Yes Yes Yes Yes Yes
Yes
Energy/ m J 129.7135.2150.2176.475. 12196. 1203.2是否闪光Yes Yes Yes Yes Yes
Yes
Yes
Energy/ m J 225.7233.5259.5282.9是否闪光
Yes
Yes
Yes
Yes
测试得到最小损伤能量值为58. 815 mJ ，对应 的损伤阈值为7. 407 J /cm 2。故此，闪光法测试样片 损伤阈值为7.407 J /cm 2。4.2.2 图像法阈值
通过将高精度的CCD 相机采集激光辐照前后 的样品的形貌图像，这些图像经过软件处理后，进行 点对点的减运算，得到去除背景的差异图像。统计 差异图像的直方图，由其特征判断损伤及损伤程度。 根据图像法判定原则，认为辐照前、后产生5个像素 点的变化就认为样品发生了损伤。采用1 - mi - 1 的损伤阈值测试方法，零几率损伤阈值的方法确定 损伤阈值的大小。由实验数据的最小二乘拟合获得 损伤阈值，如图4所示。
■ P o s s i b i l l it y
—
L i n e a r F it o f S h e e t l B “P o s s i b i l l it y ”
(•n _B )/^J S f l 3s
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l
966激光与红外第47卷
离子体产生，借助光谱仪得到光谱，分析是否存在 Si 1252.410 mn，Si 1252.651 mn。当有S i的谱线S：!的谱线存在。本实验所采用的谱线分别为S：!I出现时，认为样品发生了损伤。测试结果如表2 250. 690 nm,Si I 251. 432 nm,Si I 251. 922 nm，所示。
表2光谱法测试结果
宁夏大学图书馆
Tab.2 Test results using spectral method
Energy/mj20.2822.5329.4033. 8639.2145.0745. 1551. 8958. 8167. 7375. 1277. 8498.02是否损伤No
No No No No No No No No No No No No Energy/mj112. 8129. 7135.2150.2176.475. 12196. 1203.2225.7233.5259.5282. 9
是否损伤No No No No Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes
测试得到最小损伤能量值为176. 4 m_J，对应的损伤阈值为22. 47 J/cm2。故此，光谱法测试样片损伤阈值为22.47 J/cm2。
4.3结果分析
由三种方法得到的损伤阈值，可以看出：等离子体闪光法得到的阈值最低，光谱法测试的损伤阈值次之，图像法得到的损伤阈值最大。从测试方法上看，等离子体闪光法根据样品表面是否有闪光，判断是否损伤，但由于样品测试环境并非超净环境，而是一般实验室环境，样品表面可能吸附有灰尘和水汽，当激光辐照灰尘和水汽同样会产生等离子体闪光现象，或者激光击穿了探测器附近空气或者空气中的杂质，同样会产生等离子体闪光。这在实验过程中可以很明显的看到。所以，等离子体闪光法无法准确的判断是否是样品发生了损伤。
如当激光能量为58. 815 m j，对应照射在玻璃上的激光能量密度为7.407 J/cm2发生闪光现象，但图像法测试结果显示未损伤，光谱法测试也未发现闪光前、后光谱有明显差异，未出现s i特征峰。由此，可以认为此处闪光为空气中杂质造成的，测试玻璃并未损伤。
图像法是根据CCD拍摄的图像进行软件处理得到的结果。由于受到CCD分辨率影响，激光辐照后在样品表面产生损伤，损伤点较小小时，图像法无法判定其损伤。依据实验结果可以看出，图像法得到的损伤阈值相对闪光法偏大。
由于光谱测试时，光谱强度高低不宜于选取，判断损伤。故，可以参考图像法测试结果确定有明显谱线下的激光能量作为损伤阈值。本实验中，结合图像法当光谱强度低于400时，就可以认为样片未损伤。自然，光谱强度高于400时就判定为已损伤。
通过实验结果可以看出，光谱法结合图像法得到的阈值更为可靠，两种方法相互佐证，可减小检测时的人为因素，尽量做到结果可靠。
5结论
对同一批K9玻璃采用了不同的损伤测试的方法对其进行损伤阈值的测试。等离子体闪光法判定不准确，只通过是否闪光无法断定是样品产生了损伤还是样品表面吸附的水汽和杂质或者是空气和空气中的杂质发生了等离子体闪光。图像法能够快速的获得损伤阈值，由于CCD的分辨率及样片表面缺陷影响，使得测试的损伤阈值相对高。光谱法由于特征峰强度的问题，准确确定存在人为因素。因此，当出现明显的特征峰谱时，可以参考图像法的结果确定能量作为计算的能量值，实验测量结果为22.47 J/cm2。组合测试方法能较大程度上克服人为因素影响，得到相对准确的损伤阈值。
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