引 言
在光學(xué)窗口玻璃"薄膜以及晶體等光學(xué)材料的表面激光損傷閾值測(cè)量中，光學(xué)窗口玻璃、薄膜襯底以及晶體等材料在強(qiáng)激光作用下會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng)，如自聚焦效應(yīng)。自聚焦效應(yīng)會(huì)使入射激光在材料內(nèi)部形成會(huì)聚作用，加速材料損傷，從而影響表面損傷閾值的測(cè)量。為了降低該效應(yīng)對(duì)閾值測(cè)量的影響，一般采用大數(shù)值孔徑"短焦距透鏡對(duì)激光束進(jìn)行聚焦，并將樣品表面定位在激光焦點(diǎn)位置。短焦距透鏡聚焦條件下，焦點(diǎn)前后激光束迅速發(fā)散，從而強(qiáng)度迅速下降。閾值測(cè)量過(guò)程中，較小的定位誤差將帶來(lái)嚴(yán)重的閾值測(cè)量誤差。
當(dāng)焦點(diǎn)處的激光功率密度達(dá)到一定水平時(shí)，可使處于焦點(diǎn)位置的材料發(fā)生電離，從而發(fā)射出肉眼可觀(guān)察的等離子體光線(xiàn)，該效應(yīng)已被用來(lái)進(jìn)行手動(dòng)對(duì)焦操作。操作中執(zhí)行者需要邊移動(dòng)材料位置邊觀(guān)察光斑區(qū)域，當(dāng)出現(xiàn)等離子光線(xiàn)如白光時(shí)即停止移動(dòng)，完成焦點(diǎn)在材料表面的定位操作，該方法會(huì)因執(zhí)行者的不同而出現(xiàn)不同的執(zhí)行效果。作為改進(jìn)，有學(xué)者利用光電傳感器探測(cè)等離子體光線(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)焦點(diǎn)位置的自動(dòng)定位。但是，該方法會(huì)因激光焦點(diǎn)區(qū)域本身存在一定空間尺度而帶來(lái)定位誤差，無(wú)法確定材料表面是否定位在焦點(diǎn)區(qū)域中心位置。尤其是在短焦距透鏡聚焦條件下，由于激光束在焦點(diǎn)前后快速發(fā)散，該定位誤差將使實(shí)際作用在材料表面的激光光斑尺寸大于焦點(diǎn)光斑尺寸，從而影響表面損傷閾值的測(cè)量結(jié)果。另一方面，由于相同的激光強(qiáng)度在不同材料表面激發(fā)出的等離子體光線(xiàn)強(qiáng)度不同，因此定位的效果也會(huì)因材料不同而出現(xiàn)差異。此外，焦點(diǎn)區(qū)域的大小以及材料表面到焦點(diǎn)的距離無(wú)法直接跟蹤觀(guān)測(cè)，定位誤差難以控制。本文中利用激光對(duì)空氣電離所產(chǎn)生的等離子體亮點(diǎn)以及該亮點(diǎn)通過(guò)材料表面形成的鏡像作為參照物進(jìn)行焦點(diǎn)定位，排除了因光學(xué)材料電離特性不同的定位差異性，并且在顯微鏡下可直接觀(guān)察兩個(gè)亮點(diǎn)相互靠近的過(guò)程，使定位誤差可以控制。
1 原 理
當(dāng)入射激光為平面波時(shí)，經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚在焦點(diǎn)處形成的艾里斑直徑為:
式中，λ為激光波長(zhǎng)，( 為聚焦系統(tǒng)焦距，D 為聚焦系統(tǒng)孔徑。在理論情況下，聚焦光斑大小與會(huì)聚系統(tǒng)焦距成正比，焦距越小，得到的聚焦光斑尺寸也越小。實(shí)際情況下，激光器輸出激光束不是理想平面波，因此聚焦光斑要大于理論值。聚焦光斑大小實(shí)際由光束質(zhì)量和會(huì)聚系統(tǒng)共同決定，從而焦點(diǎn)處的激光功率密度也由兩者與激光器輸出功率共同決定。
采用大數(shù)值孔徑"短焦距系統(tǒng)對(duì)激光束進(jìn)行聚焦，可形成更小的聚焦光斑尺寸以及更大的會(huì)聚角度。焦點(diǎn)光斑面積更小，更容易提升激光功率密度從而形成空氣電離; 會(huì)聚角度更大，更容易使激光束在焦點(diǎn)前后迅速發(fā)散，有效抑制非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)對(duì)閾值測(cè)量的影響。
基于以上分析，本文中提出了一種新的激光焦點(diǎn)定位方法并搭建了光學(xué)系統(tǒng)。激光器輸出的激光束垂直入射到會(huì)聚透鏡上，聚焦后入射到待測(cè)材料表面。升高激光功率使焦點(diǎn)處的空氣發(fā)生電離并產(chǎn)生一等離子體亮點(diǎn)，該等離子體亮點(diǎn)通過(guò)待測(cè)材料表面形成鏡像。對(duì)焦過(guò)程的監(jiān)測(cè)由帶顯微鏡頭的CCD成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，調(diào)整CCD 顯微成像系統(tǒng)使兩個(gè)亮點(diǎn)同時(shí)位于CCD 相機(jī)的視場(chǎng)中，根據(jù)鏡面成像原理，此時(shí)光學(xué)材料表面將垂直并等分等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像的連線(xiàn)。控制樣品向等離子體亮點(diǎn)靠近，同時(shí)觀(guān)察成像系統(tǒng)輸出畫(huà)面中兩個(gè)亮點(diǎn)逐漸靠近的過(guò)程，當(dāng)二者相互重疊時(shí)，即完成材料表面在焦點(diǎn)處的定位操作。
2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與對(duì)焦方法
2.1 ) 激光對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)
激光對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)如圖 1 所示，包括激光器、激光衰減片、會(huì)聚透鏡、材料平移臺(tái)"CCD顯微成像系統(tǒng)。文中 實(shí) 驗(yàn) 系 統(tǒng) 采 用 的 激 光 器 輸 出 波 長(zhǎng) 為800nm，最大輸出平均功率為5w。光束質(zhì)量 因子為1.2，較好的光束質(zhì)量可以實(shí)現(xiàn)更小的聚焦光斑，從而提升焦點(diǎn)處的激光功率密度。圖2 為可調(diào)型激光衰減片系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)衰減量控制焦點(diǎn)處的激光功率密度。
測(cè)量光學(xué)玻璃材料的表面損傷閾值過(guò)程中，一般采用短焦距透鏡聚焦，使得焦點(diǎn)前后激光功率密度小于自聚焦效應(yīng)閾值，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性; 另一方面，這種緊聚焦方式也可以防止激光首先損傷材料的后表面，因?yàn)榧す庠诓牧虾蟊砻娓浇捎诟缮嫘纬蓤?chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，提高了局部的光場(chǎng)強(qiáng)度。利用短焦距和長(zhǎng)焦距透鏡對(duì)激光的聚焦效果分別如圖 3和圖 4 所示，可見(jiàn)，短焦距透鏡一方面可以使聚焦光斑更小，另一方面焦點(diǎn)所占的區(qū)域也更小; 但同時(shí)激光束在焦點(diǎn)前后發(fā)散更大，這對(duì)材料表面在激光焦點(diǎn)的定位控制要求更高。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，透鏡焦距為10mm，通過(guò)刀口法測(cè)量焦斑直徑( 1/ ) 為6u，從而計(jì)算得到焦點(diǎn)處激光功率密度達(dá)到0.18TW/cm2，該功率密度下，觀(guān)察到了明顯的空氣電離現(xiàn)象。
實(shí)際上，光束質(zhì)量是影響焦斑大小從而影響焦點(diǎn)功率密度的最主要因素，其次才是激光功率，因?yàn)閷?duì)衍射極限的激光束而言，理論上只要使用大數(shù)值孔徑的聚焦透鏡，就可以使焦點(diǎn)激光功率密度到達(dá)空氣電離的要求。
材料平移裝置為 3 維可調(diào)型移動(dòng)設(shè)備，如圖 1所示。材料平移裝置 3 個(gè)維度分別是指材料平移臺(tái)y 軸和材料平移臺(tái) x軸和材料平移臺(tái) z 軸，其中使材料平移臺(tái)z軸平行于激光束的光路方向( 即會(huì)聚透鏡的光軸方向) ，材料平移臺(tái) y軸和材料平移臺(tái) x軸垂直于激光束的光路方向。將待測(cè)光學(xué)材料固定在平移臺(tái)上，使材料表面垂直于激光束。
激光束經(jīng)會(huì)聚透鏡聚焦，產(chǎn)生空氣電離形成等離子體亮點(diǎn)，該等離子體亮點(diǎn)通過(guò)光學(xué)材料表面形成一亮點(diǎn)鏡像，CCD 顯微成像系統(tǒng)同時(shí)采集等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像的圖像并實(shí)時(shí)輸出到圖像輸出設(shè)備。CCD顯微成像系統(tǒng)裝包括CCD 相機(jī)"顯微鏡頭"相機(jī)平移裝置和圖像輸出設(shè)備( 本方法的圖像輸出設(shè)備是指裝有圖像采集"處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，
且該計(jì)算機(jī)帶有輸出圖像的顯示設(shè)備) 。顯微鏡頭的放大倍率為 4/ 倍，CCD相機(jī)安裝在相機(jī)平移裝置上，CCD相機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與圖像輸出設(shè)備相連接，CCD 相機(jī)拍攝的圖像畫(huà)面可通過(guò)圖像輸出設(shè)備的顯示器實(shí)時(shí)輸出。為保證整個(gè)CCD 顯微成像系統(tǒng)不會(huì)對(duì)光束傳播"材料平移及成像造成阻礙，顯微鏡頭的工作距離為30mm，顯微鏡頭的光軸與激光束的光軸夾角約為 45°。CCD顯微成像系統(tǒng)中的相機(jī)平移裝置( 如圖1 所示) 同樣為 3 維可調(diào)型移動(dòng)設(shè)備，其中相機(jī)平移臺(tái) z 軸控制顯微鏡頭與等離子體亮點(diǎn)的遠(yuǎn)近，相機(jī)平移臺(tái)軸和相機(jī)平移臺(tái)x 軸所在的平面與會(huì)聚透鏡光軸的夾角約為45°。
2.2 激光對(duì)焦方法
利用上述的激光對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)焦定位，具體包括以下步驟。
( 1) 形成等離子體亮點(diǎn)。激光器輸出的激光束通過(guò)激光衰減片，再垂直入射到會(huì)聚透鏡上，形成激光焦點(diǎn); 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，焦點(diǎn)激光功率密度 為0.18 *1012W/m2，該功率密度下，焦點(diǎn)處的空氣被電離產(chǎn)生肉眼可觀(guān)察的等離子體亮點(diǎn)。
( 2) 形成亮點(diǎn)鏡像。如圖 5 所示，將待測(cè)光學(xué)材料固定在平移臺(tái)上，平移臺(tái) z 軸與會(huì)聚透鏡的光軸平行，此時(shí)材料表面垂直于激光束的傳播光路; 平移臺(tái)x 軸和y軸，使材料表面對(duì)準(zhǔn)等離子體亮點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)平移臺(tái) z 軸，使光學(xué)材料表面逐漸靠近等離子體亮點(diǎn)，直至等離子體亮點(diǎn)能在材料表面形成清晰的鏡像，調(diào)整過(guò)程中不要使材料表面接觸等離子體亮點(diǎn)，以免發(fā)生激光燒蝕，間隔的距離以恰好能清晰觀(guān)察到亮點(diǎn)鏡像為準(zhǔn)。
（3）采集輸出圖像。根據(jù) CCD 顯微鏡的輸出圖像調(diào)整顯微鏡平移臺(tái)，使顯微鏡首先對(duì)焦點(diǎn)處的等離子體亮點(diǎn)清晰成像，進(jìn)一步使材料表面靠近等離子體亮點(diǎn)，以保證等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像均進(jìn)入顯微鏡視場(chǎng); 帶顯微鏡頭的CCD相機(jī)的布置及相機(jī)平移臺(tái)的調(diào)節(jié)過(guò)程均要求顯微鏡頭不能接觸光學(xué)材料，也不能阻擋激光束。
（4）調(diào)節(jié)亮點(diǎn)大小。通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的輸出功率和/或激光衰減片系統(tǒng)以逐漸減弱等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像的亮度，直至等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像剛好能被CCD 相機(jī)探測(cè)到，此時(shí)通過(guò) CCD顯微成像系統(tǒng)觀(guān)察到的等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像最小，對(duì)應(yīng)激光焦點(diǎn)處的等離子體區(qū)域最小，此時(shí)通過(guò)等離子體亮點(diǎn)確定的焦點(diǎn)位置也最為精準(zhǔn)。
（5）最終定位。如圖5所示，根據(jù)鏡面成像原理，當(dāng)光學(xué)材料向等離子體亮點(diǎn)靠近時(shí)，亮點(diǎn)鏡像會(huì)以?xún)杀队诓牧系钠揭扑俾氏虻入x子體亮點(diǎn)靠近，而材料表面則始終位于等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像連線(xiàn)的中心位置，直至從CCD顯微鏡中觀(guān)察到等離子體亮點(diǎn)和亮點(diǎn)鏡像完全重合，即完成光學(xué)材料在激光焦點(diǎn)處的定位操作。
3 結(jié) 論
設(shè)計(jì)提出了一種新的激光焦點(diǎn)對(duì)焦方法，并構(gòu)建了激光對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。
（1）利用激光對(duì)空氣電離所發(fā)射的等離子體光線(xiàn)作為參照物進(jìn)行焦點(diǎn)定位，避免了材料剛接觸焦點(diǎn)區(qū)域邊緣即被激光電離而造成的定位誤差。
（2）相比利用激光對(duì)光學(xué)材料的電離效應(yīng)進(jìn)行定位的操作方式，激光對(duì)空氣的電離效應(yīng)進(jìn)行定位的方法，排除了因光學(xué)材料激光電離特性不同所帶來(lái)的定位差異性，換言之，本文中所述方法可適用于不同材質(zhì)光學(xué)材料的定位，且能夠達(dá)到相同的定位精度，一般僅要求光學(xué)材料表面平整光滑即可。
（3）通過(guò)CCD 顯微鏡可以從焦點(diǎn)區(qū)域的側(cè)面觀(guān)測(cè)到空氣電離區(qū)域的大小，利用鏡面成像原理即可方便地將待測(cè)光學(xué)材料表面定位在焦點(diǎn)區(qū)域的中心位置，操作簡(jiǎn)便"直觀(guān)，有利于進(jìn)一步提高定位精度。
總的來(lái)說(shuō)，本文中的激光焦點(diǎn)對(duì)焦方法具有精度高"結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單"制作方便"適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，定位方法不僅操作簡(jiǎn)便"定位精度高，而且人工因素干預(yù)較小"適應(yīng)范圍廣，對(duì)后續(xù)光學(xué)材料( 例如光學(xué)窗口玻璃"薄膜以及晶體材料等) 的損傷閾值測(cè)量及表面高精度加工具有重要意義。