基于光学材料阈值测量时激光对焦方法研究

引 言

在光学窗口玻璃"薄膜以及晶体等光学材料的表面激光损伤阈值测量中，光学窗口玻璃、薄膜衬底以及晶体等材料在强激光作用下会产生非线性效应，如自聚焦效应。自聚焦效应会使入射激光在材料内部形成会聚作用，加速材料损伤，从而影响表面损伤阈值的测量。为了降低该效应对阈值测量的影响，一般采用大数值孔径"短焦距透镜对激光束进行聚焦，并将样品表面定位在激光焦点位置。短焦距透镜聚焦条件下，焦点前后激光束迅速发散，从而强度迅速下降。阈值测量过程中，较小的定位误差将带来严重的阈值测量误差。

当焦点处的激光功率密度达到一定水平时，可使处于焦点位置的材料发生电离，从而发射出肉眼可观察的等离子体光线，该效应已被用来进行手动对焦操作。操作中执行者需要边移动材料位置边观察光斑区域，当出现等离子光线如白光时即停止移动，完成焦点在材料表面的定位操作，该方法会因执行者的不同而出现不同的执行效果。作为改进，有学者利用光电传感器探测等离子体光线，能够实现焦点位置的自动定位。但是，该方法会因激光焦点区域本身存在一定空间尺度而带来定位误差，无法确定材料表面是否定位在焦点区域中心位置。尤其是在短焦距透镜聚焦条件下，由于激光束在焦点前后快速发散，该定位误差将使实际作用在材料表面的激光光斑尺寸大于焦点光斑尺寸，从而影响表面损伤阈值的测量结果。另一方面，由于相同的激光强度在不同材料表面激发出的等离子体光线强度不同，因此定位的效果也会因材料不同而出现差异。此外，焦点区域的大小以及材料表面到焦点的距离无法直接跟踪观测，定位误差难以控制。本文中利用激光对空气电离所产生的等离子体亮点以及该亮点通过材料表面形成的镜像作为参照物进行焦点定位，排除了因光学材料电离特性不同的定位差异性，并且在显微镜下可直接观察两个亮点相互靠近的过程，使定位误差可以控制。

1.原理

当入射激光为平面波时，经过透镜会聚在焦点处形成的艾里斑直径为：

式中，λ为激光波长，( 为聚焦系统焦距，D 为聚焦系统孔径。在理论情况下，聚焦光斑大小与会聚系统焦距成正比，焦距越小，得到的聚焦光斑尺寸也越小。实际情况下，激光器输出激光束不是理想平面波，因此聚焦光斑要大于理论值。聚焦光斑大小实际由光束质量和会聚系统共同决定，从而焦点处的激光功率密度也由两者与激光器输出功率共同决定。

采用大数值孔径"短焦距系统对激光束进行聚焦，可形成更小的聚焦光斑尺寸以及更大的会聚角度。焦点光斑面积更小，更容易提升激光功率密度从而形成空气电离; 会聚角度更大，更容易使激光束在焦点前后迅速发散，有效抑制非线性光学效应对阈值测量的影响。

基于以上分析，本文中提出了一种新的激光焦点定位方法并搭建了光学系统。激光器输出的激光束垂直入射到会聚透镜上，聚焦后入射到待测材料表面。升高激光功率使焦点处的空气发生电离并产生一等离子体亮点，该等离子体亮点通过待测材料表面形成镜像。对焦过程的监测由带显微镜头的CCD成像系统实现，调整CCD 显微成像系统使两个亮点同时位于CCD 相机的视场中，根据镜面成像原理，此时光学材料表面将垂直并等分等离子体亮点和亮点镜像的连线。控制样品向等离子体亮点靠近，同时观察成像系统输出画面中两个亮点逐渐靠近的过程，当二者相互重叠时，即完成材料表面在焦点处的定位操作。

2.光学系统设计与对焦方法

2.1.激光对焦光学系统