一种薄膜及光学元件损伤判别的声学方法

摘要

本发明属于一种薄膜以及光学元件损伤判别的测量领域，具体是一种薄膜及光学元件损伤判别的声学方法。现有技术对激光损伤阈值测试存在测试的重复性难以保证和测试的准确性难以保证两个问题。为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种基于声学的损伤判别方法：通过探测薄膜损伤瞬间产生的声学时域强度信号，进而对时域强度信号进行副立叶变化，经过副立叶变化后，提取出时域信号的频域特征，即出现某一特定的频率，该频率唯一表征了薄膜是否损伤，从得到的时域信号和该信号的频域特征，综合给出薄膜损伤与否的准确判据，即时域是否出现强度峰并且频域是否有特征频率。本发明测试的重复性好、准确性高。

说明书

技术领域

本发明属于一种薄膜以及光学元件损伤判别的测量领域，具体是一种薄膜及光学元件损伤判别的声学方法。 

背景技术

薄膜以及光学元件的抗激光损伤性能是器件应用中一项重要技术指标，然而对激光损伤阈值测试存在两个主要问题，一是测试的重复性难以保证；二是测试的准确性难以保证，而出现上述问题的主要原因在于薄膜损伤的判别方法上不科学、存在缺陷。目前，国家标准以及ISO中所采用的判别薄膜以及光学元件损伤的方法是相衬显微镜人工观察法，该方法是离线检测且人为因素较大，不同人测试结果不统一；另外还有研究者发展起来的散射光损伤判别方法，该方法基于检测损伤点的散射光变化量，来判别检测点是否损伤，可以实现在线测量，然而由于测量对象不同（比如膜系功能不同），散射光变化量的幅值差异甚远，因此很难给出一个统一的损伤判别标准；另外一种报道的等离子体闪光判别方法，认为薄膜损伤的瞬间伴随等离子体闪光产生，可以实现在线测量；然而不同的薄膜材料以及光学元件材料的闪光波段不一样，同样很难给出一个统一的损伤判别标准。近年来发展起来的光热偏转法薄膜损伤判别方法，该方法实际是一套激光光热光谱探测技术，需要相应的样品移动平台，通过扫描获得薄膜的光热图像，经过识别判断薄膜是否损伤，该装置复杂且在适时判别上存在困难。 

发明内容

    本发明为了解决上述问题，提出了一种薄膜及光学元件损伤判别的声学方法，能够实现在线、准确的损伤判别方法。 

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是： 

一种薄膜及光学元件损伤判别的声学方法：通过探测薄膜损伤瞬间产生的声学时域强度信号，进而对时域强度信号进行副立叶变化，经过副立叶变化后，提取出时域信号的频域特征，即出现某一特定的频率，该频率唯一表征了薄膜是否损伤，从得到的时域信号和该信号的频域特征，综合给出薄膜损伤与否的准确判据，即时域是否出现强度峰并且频域是否有特征频率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果： 

1、与现有的国标规定的相衬显微镜人工观察法对比，本发明提供的方法可以实现在线地适时判别；并且损伤判别过程不需要人为干预，则实现不同测量者可以获得统一的结果。

2、和散射损伤判别方法和等立体闪光损伤判别方法相比，由于采用了频域体特征峰和时域强度峰同时提取的技术，实现了判别标准的统一。 

3、和光热偏转法薄膜损伤判别方法相比，该方法需要需要光谱仪、移动平台等设备，成本昂贵，结构复杂；且本发明提供的损伤判别方法结构简单，相对成本低。 

附图说明

图1 本发明提供测量方法的一个装置的结构示意图； 

图2是测量一薄膜损伤时采集到信号的时域图谱；

图3 是测量一薄膜损伤时采集到信号的时域振幅变化；

图4 测量一薄膜损伤时采集到信号的频域图谱；

图5是实施例2获得的声波信号的时域谱，

图6测量一薄膜损伤时采集到信号的频域图谱。

附图标记如下： 

1-损伤用脉冲激光，2-光学系统，3-样品台，4-声学探测器组件，5-声学信号频域定位系统，6-信号传输，7-损伤判别系统。 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细地说明。 

本发明提供的一种薄膜及光学元件损伤判别的声学方法：通过探测薄膜损伤瞬间产生的声学时域强度信号，进而对时域强度信号进行副立叶变化，确定时域信号的频域特性。一般情况下，时域信号的强度会随薄膜材料、膜系功能不同，在损伤发生瞬间所产生的时域信号强度不同，因此带来的问题仍然是不能给出一个统一判断损伤的标准（即时域信号的强度大于多少就认为薄膜已经损伤）；经过副立叶变化后，可以提取出时域信号的频域特征，即出现某一特定的频率，该频率唯一表征了薄膜是否损伤。这样从得到的时域信号和该信号的频域特征，综合给出薄膜损伤与否的准确判据，即时域是否出现强度峰并且频域是否有特征频率。 

为了实现上述方法，本发明提供了一种声学损伤判别的测量装置。参见图1，该装置包括损伤用的大功率脉冲激光1，光学系统2，样品台3，声学探测器组件4、声学信号频域定位系统5、信号传输线以及损伤判别系统7。所说的声学探测器组件4是能够响应次声波、音频以及超声波的探测器组合；声学信号频域定位系统5可以通过各种硬件/软件算法实现对时域信号的频域信息提取；所说的损伤判别系统7可以综合获得的时域信号的振幅以及频域的特征频率来判别薄膜或者光学元是否损伤。只要能实现本发明方法的装置均可采用。 

实施例1：利用本发明方法对薄膜的损伤进行测试 

图2 给出是测试薄膜损伤时，采集到不同激光脉冲能量作用时，获得声波信号的时域谱。a图是在脉冲损伤能量较小情况下，获得声学信号的时域曲线，归一化振幅强度在0.04；而增加激光脉冲能量后，如b图所示时域信号强度振幅增加到0.6；进一步增加能量，时域信号强度振幅增加到0.8（见c图）。问题在于到底声音信号强度达到多少，认为薄膜已经损伤，即损伤判据很难确定。一般的做法是对一种特定的薄膜，测量出不同损伤脉冲能量下的声学信号强度，作强度峰值和损伤脉冲能量的曲线，如图3所示。一般情况下选取强度峰值达到或者超过多少时，定义为薄膜损坏的判据，然后根据该判据打点，通过外推计算出薄膜的损伤阈值。比如图3中虚线位置，即认为振幅达到50%认为薄膜损损伤，不同的测试者有不同的标准，那么测试的结果就不统一；另外如果薄膜材料或者膜系不一样，损伤时域信号的强度相差甚远，不可能给出统一的损伤判别标准。

为此我们通过对声学信号频域定位系统5获得了三种不同能量下时域信号的频域谱图，如图4（a）,（b）和（c）所示，在图4（b）和 （c）中明显在4500Hz左右出现依次增强的谱密度，而图4（a）中再该频段没有明显的特征频率，尽管图4（a）对应的时域信号具有振幅强度，但不能判定薄膜在脉冲能量下损伤。因此结合时域信号强度和频域频率定位来组合判定薄膜是否损伤，即脉冲激光作用薄膜的瞬间，时域信号既要出现强度峰值（这是判断薄膜是否损伤的必要条件），同时观测频域特征频率（这是判断薄膜是否损伤的必要条件），二者同时出现即可判定薄膜已经损伤。 

实施例2：利用本发明方法对光学元件的损伤进行测试 

图5给出了一种光学元件在损伤时产生时，采集到不同激光脉冲能量作用时，获得声波信号的时域谱。a图是在脉冲损伤能量较小情况下，获得声学信号的时域曲线，归一化振幅强度很弱；而增加激光脉冲能量后，如b图所示时域信号强度振幅增加到0.8。仍然存在如何判别损伤的问题。为此我们通过对声学信号频域定位系统5获得了两种不同能量下时域信号的频域谱图，如图6（a） 和（b）所示，在图6（b）中明显在4500Hz左右出现依次增强的谱密度，而图6（a）中再该频段没有明显的特征频率，尽管图6（a）对应的时域信号具有振幅强度，但不能判定薄膜在脉冲能量下损伤。因此结合时域信号强度和频域频率定位来组合判定薄膜是否损伤，即脉冲激光作用薄膜的瞬间，时域信号既要出现强度峰值（这是判断薄膜是否损伤的必要条件），同时观测频域特征频率（这是判断薄膜是否损伤的必要条件），二者同时出现即可判定光学元件已经损伤。