一種面向雷射薄膜內部缺陷的溯源性損傷閾值測量技術的製作方法
2023-07-05 19:24:51
一種面向雷射薄膜內部缺陷的溯源性損傷閾值測量技術的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種面向雷射薄膜內部缺陷的溯源式損傷閾值測量技術，包括：將被測樣品進行坐標零點標記，通過電動平移臺控制移動，在被測樣品不同的製備階段分別進行全區域掃描；外觸髮式相機對被測樣品的每個位置進行圖片採集，並將所有缺陷進行識別、坐標校準、處理分析，獲得不同缺陷的引入源頭和特徵信息；選取被測樣品上任意缺陷，在泵浦雷射器輻照前後分別由外觸發相機拍照，比較兩幅圖像的差異判斷缺陷是否損傷；提升泵浦雷射能量，實現不同能量下的測量；提取缺陷在不同製備階段的特徵信息，實現缺陷在全流程工序中的溯源追蹤。與現有技術相比，本發明具有對缺陷引入源頭、特徵尺寸、坐標位置和損傷閾值等信息進行溯源分析的優點。
【專利說明】一種面向雷射薄膜內部缺陷的溯源性損傷閾值測量技術
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光學元件抗雷射損傷性能的測試方法，尤其是涉及雷射薄膜在不同製備階段所引入缺陷特徵信息的溯源分析。
【背景技術】
[0002]雷射薄膜是高功率雷射系統中的關鍵元件，而薄膜的雷射損傷閾值是限制強雷射技術向高功率、高能量方向發展的重要瓶頸之一。為了深入分析雷射薄膜的損傷性能和損傷機制，準確評價光學元件的抗雷射損傷能力，需要不斷地發展和完善雷射損傷閾值的測量技術，提高損傷閾值的測量精度和準確度，從而指導薄膜製備工藝的優化和改進。目前，在損傷閾值測量過程中，廣泛採用基於IS011254-1&2的1-On-1和S-On-1測試方法，以及能夠對樣品表面大面積覆蓋的光柵掃描式損傷閾值測試方法。不同測試方法表徵了雷射薄膜不同的抗雷射損傷能力，反映了元件在實際應用中的使用性能。
[0003]雷射薄膜具有強烈的「短板」效應，其損傷性能並不是由其「長板」(材料的本徵損傷閾值)決定，而是由其「短板」(缺陷的損傷閾值)決定。雷射薄膜在全流程製備工序中，包括基底加工、清洗、鍍膜、後處理等，每道工序都將引入不同類型、尺寸和吸收特性的缺陷，不同的缺陷具有不同的損傷閾值，都將顯著影響最終的損傷閾值。
[0004]以往雷射損傷閾值的測量僅針對雷射薄膜本身，其閾值的高低雖然能夠發現與不同尺寸缺陷有關，但無法追溯到缺陷的引入源頭、初始特徵、坐標位置等重要信息。因此，缺乏缺陷信息、溯源分析的損傷閾值測量技術，對雷射薄膜製備工藝改進和優化方向的指導作用有限。
[0005]針對通過損傷閾值測試對缺陷特點和源頭進行逆向的可溯性分析的需求，急需基於缺陷高精度定位和復位方法的損傷閾值測量技術，通過損傷閾值測試追蹤從基板加工到薄膜製備環節引入的缺陷信息。
【發明內容】
[0006]本發明為了解決上述技術的不足，提供了一種面向雷射薄膜內部缺陷的溯源式損傷閾值測量技術。
[0007]為達到以上目的，本發明所採用的解決方案是:
[0008]一種損傷閾值測量裝置，其包括:
[0009]進行損傷閾值測量的泵浦雷射、被測樣品、電動平移臺、照明光源、損傷監控系統、定標裝置。
[0010]被測樣品首先利用定標裝置，在兩個角的邊緣標記兩個校準零點，用於對每次拍攝的全口徑圖像中的缺陷坐標進行校準和定位。被測樣品置於電動平移臺上，從而可以調節被測樣品的位置；同時，泵浦雷射輻射於被測樣品上，並有照明光源對於被測樣品的表面進行照明，損傷監控系統實時監測被測樣品在泵浦雷射輻照時的圖像。
[0011]所述定標裝置為能夠在被測樣品表面壓製出微小壓痕的硬度計；所述被測樣品由電動平移臺控制；所述被測樣品為雷射薄膜元件，根據全流程製作工序，包括基底加工、清洗、鍍膜、後處理四個不同階段；所述被測樣品由損傷監控系統實時檢測和圖像拍攝；所述損傷監控系統由在線顯微鏡和外觸髮式相機組成。
[0012] 利用上述測量裝置針對雷射薄膜內部缺陷進行溯源式損傷閾值測量，包括下列步驟:
[0013]①利用定標裝置在被測樣品兩個角的邊緣標記兩個校準零點；
[0014]②將被測樣品固定在電動平移臺，電動平移臺控制被測樣品做光柵軌跡移動，在線顯微鏡對準泵浦雷射輻照被測樣品的位置；
[0015]③當被測樣品移動到新的位置時，在線顯微鏡拍攝圖像，然後電動平移臺控制被測樣品移動到下一個位置，橫向移動距離為在線顯微鏡拍攝圖像的橫向尺寸，縱向移動距離為在線顯微鏡拍攝圖像的縱向尺寸，每次完成對被測樣品全口徑區域的覆蓋；
[0016]④被測樣品在基底加工完成階段，電動平移臺做第一次光柵運動，外觸髮式相機通過電動平移臺的移動對被測樣品的每個位置進行圖片採集；將第(X，y)張圖片標記為Pxy,圖片中缺陷點的局部坐標記為Pxy_ab，全局坐標記為Pxy，缺陷尺寸標記為Pd_XY，其中，a和b為缺陷點在第(X，y)張圖片中的局部坐標，X和Y為以第(1，1)張圖片的左上角為原點、缺陷點在整個測量區域的全局坐標；兩個校準零點的全局坐標分別標記為P1和P2 ；
[0017]⑤被測樣品在清洗完成階段，電動平移臺做第二次光柵運動，外觸髮式相機通過電動平移臺的移動對被測樣品的每個位置進行圖片採集；將第(X，y)張圖片標記為Cxy，圖片中缺陷點的局部坐標記為Cxy_ab，全局坐標記為Cxy，缺陷尺寸標記為Cd_XY，其中，a和b為缺陷點在第(x，y)張圖片中的局部坐標，X和Y為以第(1，1)張圖片的左上角為原點、缺陷點在整個測量區域的全局坐標；兩個校準零點的全局坐標分別標記為C1和C2 ；
[0018]⑥以第一次掃描後兩個校準零點坐標匕和匕為參照，根據第二次掃描後兩個校準零點坐標C1和C2的變動，將所有缺陷的全局坐標Cxy修正為CX，Y，;
[0019]⑦設定位置容差E1和尺寸容差E2，將CX，Y，中每一個缺陷點與Pxy中的所有缺陷點進行逐一比較；設定判定準則，分別根據位置容差和尺寸容差的滿足情況，判定缺陷點的類型，包括原有缺陷、新缺陷、生長缺陷和去除缺陷；
[0020]⑧重複上述步驟⑤~⑦，可以實現被測樣品全口徑區域分別在鍍膜完成階段、後處理完成階段所有缺陷點的定位和坐標校準，即FX，Y，和LX，Y，；
[0021]⑨選定被測樣品中待測缺陷，電動平移臺將待測缺陷移動到泵浦雷射輻照位置，外觸發相機拍攝圖片Dxy+泵浦雷射輻照缺陷後，拍攝圖片Di1 ;設定尺寸容差E3,當Dxm中缺陷尺寸與D5^ci中相同缺陷尺寸的差異超過尺寸容差，則判定損傷，否則判定未損傷；
[0022]⑩選取不同的泵浦雷射能量進行輻照，可以獲得任意待測缺陷發生損傷時的損傷閾值；
[0023]?選取不同的待測缺陷，重複⑨~⑩，可以獲得被測樣品不同區域所有缺陷在泵浦雷射輻照下的損傷閾值；
[0024]⑩提取同一缺陷在基底加工、清洗、鍍膜、後處理和損傷閾值測試不同階段的特徵信息，實現缺陷在全流程工序中的溯源追蹤。
[0025]與現有技術相比，本發明利用被測樣品兩個校準零點，實現被測樣品在不同製備階段所有缺陷位置和尺寸信息的記錄和校準；並結合原位損傷閾值測試技術，利用在線顯微鏡對被測樣品中選定缺陷在泵浦雷射輻照前後圖像的差異，獲得缺陷的損傷閾值；結合同一缺陷在基底加工、清洗、鍍膜、後處理和損傷閾值測試不同階段的特徵信息，實現缺陷在全流程工序中的溯源追蹤。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為損傷閾值測量裝置的結構示意圖；
[0027]圖2為被測樣品校準零點的位置示意圖；
[0028]圖3為被測樣品在電動平移臺控制下的運行軌跡示意圖；
[0029]圖4(a)為雷射輻照前，被測樣品中待測缺陷Dx^ci圖片；
[0030]圖4(b)為雷射輻照後，被測樣品中待測缺陷Dxm圖片。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0032]實施例
[0033]一種面向雷射薄膜內部缺陷的溯源式損傷閾值測量技術，該技術將雷射薄膜中存在的各類缺陷在不同製備階段的特徵信息與最終損傷性能建立對應關係，提出一種溯源式損傷閾值測量方法。如圖1所示，損傷閾值測量的裝置包括用於發射泵浦雷射的泵浦雷射器1、用於帶動被測樣品2移動的電動平移臺3、照明電源4和實時監測並獲取被測樣品圖像的損傷監控組件，所述的損傷監控組件包括在線顯微鏡6和外觸髮式相機5。所述的識別方法具體包括以下步驟:
[0034]①利用定標裝置在被測樣品2兩個角的邊緣標記兩個校準零點，如圖2所示；
[0035]②將被測樣品2固定在電動平移臺3，照明光源4對被測樣品2進行照明，在線顯微鏡5對準泵浦雷射輻照被測樣品2的位置；
[0036]③當被測樣品2移動到新的位置時，在線顯微鏡5拍攝圖像，然後電動平移臺3控制被測樣品2移動到下一個位置。
[0037]電動平移臺X方向總的移動距離為Sx，移動間隔為Ix，y方向總的移動距離為Sy,移動間隔為Iy，移動間隔Ix和Iy分別由外觸髮式相機5拍攝圖像的橫向尺寸ix和縱向尺寸仁決定，圖片總數目N為SxAj^P Sy / Iy向上取整後的整數乘積。由此實現對被測樣品全口徑區域的覆蓋掃描。
[0038]④被測樣品2在基底加工完成階段，電動平移臺3做第一次光柵運動，運動軌跡如圖3。外觸髮式相機5通過電動平移臺3的移動對被測樣品2的每個位置進行圖片採集。
[0039]將第(X，y)張圖片標記為Pxy，圖片中缺陷點的局部坐標記為Pxy_ab，全局坐標記為Ρχy，缺陷尺寸標記為Ρ?y，其中，a和b為缺陷點在第(x，y)張圖片中的局部坐標，X和Y為以第(1，1)張圖片的左上角為原點、缺陷點在整個測量區域的全局坐標:
[0040]X=(X-1) X Ix+a
[0041]Y=(Y-1) X Iy+b。
[0042]兩個校準零點的全局坐標分別標記為P1和P2。
[0043]⑤被測樣品2在清洗完成階段，電動平移臺3做第二次光柵運動，外觸髮式相機5通過電動平移臺3的移動對被測樣品2的每個位置進行圖片採集。將第(x，y)張圖片標記為cxy，圖片中缺陷點的局部坐標記為Cxy_ab，全局坐標記為Cxy，缺陷尺寸標記為CdI,其中，a和b為缺陷點在第(x，y)張圖片中的局部坐標，X和Y為以第(1，1)張圖片的左上角為原點、缺陷點在整個測量區域的全局坐標；兩個校準零點的全局坐標分別標記為C1和C2。
[0044]⑥以第一次掃描的兩個校準零點坐SP1和P2為參照，計算第二次掃描後兩個校準零點坐標C1和C2的變動。C1相比P1的變化量為:
[0045]dx=Plx-Clx
[0046]dy=Ply-Cly
[0047]其中Plx、Ply和Clx、Cly分別為P1和C1點的橫向和縱向坐標。
[0048]將C1與P1點重合，則Cxy的坐標修正為CX，,Y」:
[0049]Cx』』=Cx+dx
[0050]CY』』=CY+dy
[0051]根據Pp P2和修正後C2,,三者的坐標關係，計算出P1C2,,和P1P2的夾角Θ。此夾角即為以P1為中心，CX，,Y，,偏離Pxy相應各點的角度，由此獲得最終的修正坐標:
[0052]Cx=Cx- +rcos Θ [0053]CY=CY，，+rsin Θ
[0054]其中r為CX，，Y，，中各點與P1點的距離。
[0055]⑦設定位置容差E1和尺寸容差E2，將Cx，y，中每一個缺陷點與Pxy中的所有缺陷點進行逐一比較:
[0056]1.當CX，Y，位置存在缺陷點、不超過位置容差的Pxy位置存在缺陷點，並且不超過尺寸容差時，則Cx，y，位置和Pxy位置缺陷相同；
[0057]2.當CX，Y，位置存在缺陷點、不超過位置容差的Pxy位置存在缺陷點，但超過尺寸容差時，則Cx，y，位置缺陷由Pxy位置缺陷生長獲得；
[0058]3.當CX，Y，位置存在缺陷點、不超過位置容差的Pxy位置不存在缺陷點，則CX，Y，位置缺陷為新出現，由當前工序引入；
[0059]4.當Pxy位置存在缺陷點、不超過位置容差的Cx，y，位置不存在缺陷點，則Pxy位置缺陷被當前工序去除。
[0060]⑧重複上述步驟⑤~⑦，可以實現被測樣品2全口徑區域分別在鍍膜完成階段、後處理完成階段所有缺陷點的定位和坐標校準，即FX，Y，和LX，Y，；
[0061]⑨選定被測樣品2中坐標為Pxy的待測缺陷，電動平移臺3將待測缺陷移動到泵浦雷射輻照位置，外觸發相機5拍攝圖片Dx^tl，泵浦雷射輻照缺陷後，拍攝圖片Dxy+設定尺寸容差E3,當Dxm中缺陷尺寸與D5^ci中相同缺陷尺寸的差異超過尺寸容差E3時，則判定損傷，否則判定未損傷。
[0062]⑩如未發生損傷，提升泵浦雷射能量再次進行輻照，重複步驟⑨，可以獲得任意待測缺陷在發生損傷時的損傷閾值。
[0063]?選取不同坐標位置的待測缺陷，重複⑨~⑩，可以獲得被測樣品2不同區域所有缺陷在泵浦雷射輻照下的損傷閾值；
[0064]?提取同一缺陷在基底加工、清洗、鍍膜、後處理和損傷閾值測試不同階段的特徵信息，實現缺陷在全流程工序中的溯源追蹤。
[0065]上述特徵信息包括位置坐標、尺寸信息、引入工序和損傷閾值。[0066]上述的對實施例的描述是為便於該【技術領域】的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種面向雷射薄膜內部缺陷的溯源式損傷閾值測量技術，該方法用於雷射薄膜內部缺陷的溯源式損傷閾值測量。 所述的損傷閾值測量的裝置包括用於發射泵浦雷射的泵浦雷射器、用於帶動經過位置定標的被測樣品移動的電動平移臺、照明電源和實時監測並獲取被測樣品圖像的損傷監控組件，所述的損傷監控組件包括在線顯微鏡和外觸髮式相機，其特徵在於，所述的識別方法具體包括以下步驟: ①利用定標裝置在被測樣品兩個角的邊緣標記兩個校準零點； ②將被測樣品固定在電動平移臺，電動平移臺控制被測樣品做光柵軌跡移動，在線顯微鏡對準泵浦雷射輻照被測樣品的位置； ③當被測樣品移動到新的位置時，在線顯微鏡拍攝圖像，然後電動平移臺控制被測樣品移動到下一個位置，橫向移動距離為在線顯微鏡拍攝圖像的橫向尺寸，縱向移動距離為在線顯微鏡拍攝圖像的縱向尺寸，每次完成對被測樣品全口徑區域的覆蓋； ④被測樣品在基底加工完成階段，電動平移臺做第一次光柵運動，外觸髮式相機通過電動平移臺的移動對被測樣品的每個位置進行圖片採集；將第(X，y)張圖片標記為Pxy，圖片中缺陷點的局部坐標記為Pxy_ab，全局坐標記為Pxy，缺陷尺寸標記為Pd-XY其中，a和b為缺陷點在第(x，y)張圖片中的局部坐標，X和Y為以第(1，1)張圖片的左上角為原點、缺陷點在整個測量區域的全局坐標；兩個校準零點的全局坐標分別標記為P1和P2 ； ⑤被測樣品在清洗完成階段，電動平移臺做第二次光柵運動，外觸髮式相機通過電動平移臺的移動對被測樣品的每個位置進行圖片採集；將第(X，y)張圖片標記為Cxy，圖片中缺陷點的局部坐標記為Cxy_ab，全局坐標記為Cxy，缺陷尺寸標記為Cd_XY，其中，a和b為缺陷點在第(x，y)張圖片中的局部坐標，X和Y為以第(1，1)張圖片的左上角為原點、缺陷點在整個測量區域的全局坐標；兩個校準零點的全局坐標分別標記為C1和C2 ； ⑥以第一次掃描後兩個校準零點坐標P1和P2為參照，根據第二次掃描後兩個校準零點坐標C1和C2的變動，將所有缺陷的全局坐標Cxy修正為Cx'Y'； ⑦設定位置容差E1和尺寸容差E2，將CX，Y，中每一個缺陷點與Pxy中的所有缺陷點進行逐一比較；設定判定準則，分別根據位置容差和尺寸容差的滿足情況，判定缺陷點的類型，包括原有缺陷、新缺陷、生長缺陷和去除缺陷； ⑧重複上述步驟⑤~⑦，可以實現被測樣品全口徑區域分別在鍍膜完成階段、後處理完成階段所有缺陷點的定位和坐標校準，即FX』 /和Lxy ； ⑨選定被測樣品中待測缺陷，電動平移臺將待測缺陷移動到泵浦雷射輻照位置，外觸發相機拍攝圖片Dxy+泵浦雷射輻照缺陷後，拍攝圖片Dxm ;設定尺寸容差E3,當Dxm中缺陷尺寸與D5^ci中相同缺陷尺寸的差異超過尺寸容差，則判定損傷，否則判定未損傷； ⑩選取不同的泵浦雷射能量進行輻照，可以獲得任意待測缺陷發生損傷時的損傷閾值； ?選取不同的待測缺陷，重複⑨~⑩，可以獲得被測樣品不同區域所有缺陷在泵浦雷射輻照下的損傷閾值； ?提取同一缺陷在基底加工、清洗、鍍膜、後處理和損傷閾值測試不同階段的特徵信息，實現缺陷在全流程工序中的溯源追蹤。
2.根據權利要求1所述的定標裝置，其特徵在於能夠在被測樣品表面壓製出微小壓痕的硬度計。
3.根據權利要求1所述的全流程工序，其特徵在於，包括基底加工、清洗、鍍膜、後處理四個不同階段。
4.根據權利要求1所述的對被測樣品全口徑區域的覆蓋，其特徵在於，電動平移臺X方向總的移動距離為Sx，移動間隔為Ix，y方向總的移動距離為Sy，移動間隔為Iy，移動間隔Ix和Iy分別由外觸髮式相機拍攝圖像的橫向尺寸ix和縱向尺寸iy決定，圖片總數目N為Sx/Ix和Sy/Iy向上取整後的 整數乘積。由此實現對被測樣品全口徑區域的覆蓋掃描。
5.根據權利要求1所述的將所有缺陷的全局坐標Cxy修正為Χχ，y，，其特徵在於，修正坐標的具體方法為: 以第一次掃描的兩個校準零點坐標P1和P2為參照，計算第二次掃描後兩個校準零點坐標C1和C2的變動。C1相比P1的變化量為:dx=Plx_Clxdy=Ply-Cly 其中Plx、Ply和Clx、Cly分別為P1和C1點的橫向和縱向坐標。 將C1與P1點重合，則Cxy的坐標修正為CX，,Y，,:
Cx?=Cx+dx
CY」 =CY+dy 根據Pp P2和修正後C2，，三者的坐標關係，計算出P1C2，，和P1P2的夾角Θ。此夾角即為以P1為中心，CX，,Y，,偏離Pxy相應各點的角度，由此獲得最終的修正坐標:
Cx，=Cx，，+rcos θ
Cr =CY，，+rsin θ 其中r為CX，，Y，，中各點與P1點的距離。
6.根據權利要求1所述的判定缺陷點的類型，包括原有缺陷、新缺陷、生長缺陷和去除缺陷，其特徵在於，設定位置容差E1和尺寸容差E2，將CX，Y，中每一個缺陷點與Pxy中的所有缺陷點進行逐一比較: 1)當CX，Y，位置存在缺陷點、不超過位置容差的Pxy位置存在缺陷點，並且不超過尺寸容差時,則Cx，y，位置和Pxy位置缺陷相同； 2)當CX，Y，位置存在缺陷點、不超過位置容差的Pxy位置存在缺陷點，但超過尺寸容差時,則CX，y，位置缺陷由Pxy位置缺陷生長獲得； 3)當CX，Y，位置存在缺陷點、不超過位置容差的Pxy位置不存在缺陷點,則CX，Y，位置缺陷為新出現，由當前工序引入； 4)當Pxy位置存在缺陷點、不超過位置容差的Cx，y，位置不存在缺陷點，則Pxy位置缺陷被當前工序去除。
7.根據權利要求3或4所述的特徵信息，其特徵在於，包括位置坐標、尺寸信息、引入工序和損傷閾值。
【文檔編號】G01N21/88GK103954625SQ201410050368
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年2月13日 優先權日:2014年2月13日
【發明者】王佔山, 馬彬, 程鑫彬, 馬宏平, 陸夢蕾, 焦宏飛 申請人:同濟大學