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)射出肉眼可觀察的等離子體光線，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)材料位置邊觀察光斑區(qū)域，當(dāng)出現(xiàn)等離子光線如白光時(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，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。控制樣品向等離子體亮點(diǎn)靠近，同時(shí)觀察成像系統(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)