從二十世紀(jì)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(gè)龐大的體系，向著更高功率、更窄脈寬、更短波段邁進(jìn)，并運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。例如，中國(guó)神光Ⅱ三倍頻激光器平均功率密度為0.66GW/cm2，最大可達(dá)1GW/cm2;還增加了高能皮秒拍瓦(PW，1015W)級(jí)激光系統(tǒng)，超強(qiáng)飛秒(10-15s)激光系統(tǒng)等[1]。在工業(yè)、科研以及軍事等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛的連續(xù)激光器，已實(shí)現(xiàn)百千瓦級(jí)的連續(xù)光輸出。更高功率、更窄脈沖、更短波段的應(yīng)用導(dǎo)向，也對(duì)光學(xué)元件抗激光損傷能力提出更多挑戰(zhàn)。
高抗激光損傷光學(xué)元件，在激光工業(yè)制造中主要有如下應(yīng)用：
1 萬瓦級(jí)光纖激光器
隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)的智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)，激光切割、激光焊接已廣泛應(yīng)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(jí)高功率激光器應(yīng)運(yùn)而生，相應(yīng)地催生了高抗損傷激光光學(xué)元件的市場(chǎng)需求。
圖1 光纖激光在激光切割的應(yīng)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(shì)，由于紫外激光熱影響區(qū)域小、聚焦性好，因此可以達(dá)到較高的加工精度。紫外激光設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用于超精細(xì)加工高端市場(chǎng)，如3C、柔性PCB板的表面打標(biāo)、劃片，以及硅晶圓片微孔、盲孔加工。一些材料對(duì)可見和紅外激光吸收弱導(dǎo)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(xué)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(guān)鍵“瓶頸”之一。
圖2 紫外激光進(jìn)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(jiǎn)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(xué)材料或光學(xué)薄膜的性能或結(jié)構(gòu)發(fā)生可以探測(cè)的永久性變化。激光能量的高度集中會(huì)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(jī)理
激光誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷涉及激光與光學(xué)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(xué)擊穿和激光等離子體等多種物理機(jī)制[4]。C.R.Giuliano首次對(duì)激光引起光學(xué)材料損傷機(jī)理進(jìn)行了研究[5]，1973年將激光誘導(dǎo)光學(xué)材料的破壞總結(jié)為三個(gè)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(duì)于現(xiàn)代激光光學(xué)元件的工業(yè)加工而言，提高光學(xué)元件激光損傷閾值的挑戰(zhàn)主要來源于光學(xué)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(xué)元件基底材料的本征吸收、非線性特性以及熱和機(jī)械性能對(duì)其損傷閾值的高低皆有一定影響[4];
冷加工過程中，由于機(jī)械拉力和磨料嵌入等原因，會(huì)形成亞表面缺陷。亞表面缺陷誘導(dǎo)激光損傷的機(jī)理主要?dú)w結(jié)為三個(gè)方面：缺陷中包含大量的吸收性雜質(zhì)導(dǎo)致的熱破壞，亞表面缺陷對(duì)入射光場(chǎng)的調(diào)制引起的場(chǎng)破壞，表面缺陷使得光學(xué)元件的表面機(jī)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(chǎng)分布情況等因素，都可能在強(qiáng)激光作用下引發(fā)激光損傷。
在光學(xué)元件的激光損傷機(jī)理方面基于大量的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的損傷測(cè)試和顯微損傷形貌分析等一手資料的研究比對(duì)，我們的工程師團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到影響激光損傷閾值有多方面因素，是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)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(gòu)、沉積工藝、鍍后處理等等都會(huì)對(duì)激光損傷閾值產(chǎn)生影響。為此，若僅從光學(xué)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(xué)元件的整體抗損激光傷能力。
圖3 100倍顯微鏡下光學(xué)元件基底損傷 圖4 100倍顯微鏡下光學(xué)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(jìn)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(duì)于有高抗損傷閾值要求的光學(xué)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(zhǎng)選定相應(yīng)的玻璃牌號(hào)。
2 拋光方面
采用特殊的超光滑拋光工藝，白光干涉儀檢測(cè)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(diǎn)子，表面質(zhì)量達(dá)到0/0。拋光是決定光學(xué)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(xué)元件的抗強(qiáng)激光損傷能力。
圖5 采用Zygo New View 8300測(cè)量表面粗糙圖
3 鍍膜方面
采用離子束濺射(IBS)技術(shù)，通過優(yōu)化膜系設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)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(qiáng)激光應(yīng)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(shù)加工的激光元器件，在第三方(USA Quantel-Laser)測(cè)試結(jié)果表明(以355nm為例)紫外激光波長(zhǎng)的損傷閾值滿足設(shè)計(jì)要求， AR-355nm的損傷閾值達(dá)到22.9 J/cm2，見表1， HR-355nm的損傷閾值達(dá)到13.5 J/cm2，見圖7：
表1 355nm損傷測(cè)試數(shù)據(jù)(Tested By USA Quantel-Laser)
圖7 HR-355nm激光損傷測(cè)試結(jié)果(Tested By USA Quantel-Laser)
激光損傷閾值的測(cè)試
激光損傷的測(cè)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(xué)鍍膜或基片吸收引起的熱效應(yīng)造成的。脈沖激光產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)損傷通常以介電擊穿為主，而對(duì)于較長(zhǎng)的脈沖寬度或重復(fù)率較高的激光系統(tǒng)，損傷是由熱誘導(dǎo)損傷和介電擊穿結(jié)合引起的[8]。
測(cè)試中心主要依據(jù)ISO 11254和ISO 21254，采用脈沖激光進(jìn)行測(cè)LIDT測(cè)試。參照ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范，我們組建了266nm、355nm、532nm和1064nm共四套LIDT測(cè)量系統(tǒng)，如圖8和圖9分別為266nm和1064nm的激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)。
圖8 266nm激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)
圖9 1064nm激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)
損傷閾值測(cè)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(shí)際特性和客戶需求進(jìn)行測(cè)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(cè)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(shí)通過對(duì)每批次產(chǎn)品激光損傷閾值的一致性進(jìn)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(cè)試方法示意圖[9]
此文來自于：維科網(wǎng)激光