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量中，光學(xué)窗口玻璃、薄膜襯底以及晶體等材料在強激光作用下會產(chǎn)生非線性效應(yīng)，如自聚焦效應(yīng)。自聚焦效應(yīng)會使入射激光在材料內(nèi)部形成會聚作用，加速材料損傷，從而影響表面損傷閾值的測量。為了降低該效應(yīng)對閾值測量的影響，一般采用大數(shù)值孔徑"短焦距透鏡對激光束進行聚焦，并將樣品表面定位在激光焦點位置。短焦距透鏡聚焦條件下，焦點前后激光束迅速發(fā)散，從而強度迅速下降。閾值測量過程中，較小的定位誤差將帶來嚴(yán)重的閾值測量誤差。

當(dāng)焦點處的激光功率密度達(dá)到一定水平時，可使處于焦點位置的材料發(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)已被用來進行手動對焦操作。操作中執(zhí)行者需要邊移動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即停止移動，完成焦點在材料表面的定位操作，該方法會因執(zhí)行者的不同而出現(xiàn)不同的執(zhí)行效果。作為改進，有學(xué)者利用光電傳感器探測等離子體光線，能夠?qū)崿F(xiàn)焦點位置的自動定位。但是，該方法會因激光焦點區(qū)域本身存在一定空間尺度而帶來定位誤差，無法確定材料表面是否定位在焦點區(qū)域中心位置。尤其是在短焦距透鏡聚焦條件下，由于激光束在焦點前后快速發(fā)散，該定位誤差將使實際作用在材料表面的激光光斑尺寸大于焦點光斑尺寸，從而影響表面損傷閾值的測量結(jié)果。另一方面，由于相同的激光強度在不同材料表面激發(fā)出的等離子體光線強度不同，因此定位的效果也會因材料不同而出現(xiàn)差異。此外，焦點區(qū)域的大小以及材料表面到焦點的距離無法直接跟蹤觀測，定位誤差難以控制。本文中利用激光對空氣電離所產(chǎn)生的等離子體亮點以及該亮點通過材料表面形成的鏡像作為參照物進行焦點定位，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亮點相互靠近的過程，使定位誤差可以控制。

1.原理

當(dāng)入射激光為平面波時，經(jīng)過透鏡會聚在焦點處形成的艾里斑直徑為：

式中，λ為激光波長，( 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。聚焦光斑大小實際由光束質(zhì)量和會聚系統(tǒng)共同決定，從而焦點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)對激光束進行聚焦，可形成更小的聚焦光斑尺寸以及更大的會聚角度。焦點光斑面積更小，更容易提升激光功率密度從而形成空氣電離; 會聚角度更大，更容易使激光束在焦點前后迅速發(fā)散，有效抑制非線性光學(xué)效應(yīng)對閾值測量的影響。

基于以上分析，本文中提出了一種新的激光焦點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聚透鏡上，聚焦后入射到待測材料表面。升高激光功率使焦點處的空氣發(fā)生電離并產(chǎn)生一等離子體亮點，該等離子體亮點通過待測材料表面形成鏡像。對焦過程的監(jiān)測由帶顯微鏡頭的CCD成像系統(tǒng)實現(xiàn)，調(diào)整CCD 顯微成像系統(tǒng)使兩個亮點同時位于CCD 相機的視場中，根據(jù)鏡面成像原理，此時光學(xué)材料表面將垂直并等分等離子體亮點和亮點鏡像的連線�？刂茦悠废虻入x子體亮點靠近，同時觀察成像系統(tǒng)輸出畫面中兩個亮點逐漸靠近的過程，當(dāng)二者相互重疊時，即完成材料表面在焦點處的定位操作。

2.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與對焦方法

2.1.激光對焦光學(xué)系統(tǒng)