測試雷射損傷閾值

雷射資源指南第14.4， 14.5 及 14.6。

雷射損傷測試在本質上具有破壞性。接受測試的光學元件暴露在一定程度的雷射通量下，然後進行檢驗，一般是採用諾馬斯基 (Nomarski)型的微分干涉差 (DIC) 顯微鏡。通量會逐漸增加，然後重複暴露及檢驗步驟。此項程序會繼續進行，直到光學元件出現損傷為止。雖然這在概念上屬於簡單程序，但其中具有多種程度的複雜度。

根據 ISO 21254，測試時在光學元件偵測的任何變化都視為“損傷”。其中可能產生不同的 LDT 值，視損傷的評估方式而定，因為並非所有測試都使用相同的損傷偵測方案，而不同操作員可能選擇不同的訊噪比閾值。請務必瞭解 ISO 定義的“損傷”並不一定代表效能退化，因為需視應用而定。

LDT 測試是由單次或多次發射測試指定。單次發射測試也稱為一對一測試，其中會針對遍佈光學元件的最少 10 個樣本位置，以不同雷射通量發射一次雷射輻射。在特定通量情況下，損傷位置與總測試位置的比例，就代表該通量的損傷機率。損傷機率繪製為通量函式，資料則以線性方式推斷，尋找損傷機率為 0% 的地方，進而得出 LDT 值 (圖 1).

Figure 1: Sample data from a single shot test

圖 1: Sample data from a single shot test

多次發射測試或稱 S 對 1 測試，與單次發射測試的不同之處，在於每個測試位置使用一系列的雷射發射或脈衝，而不是單次發射。每個位置的發射次數（或稱 S）一般介於 10 至 1000 之間。多次發射測試能夠更妥善預測光學元件的真實效能，並協助 LDT 測試人員避免發生所謂的早夭區 (infant mortality realm) 現象。¹ 每個位置使用 1 至 10 次發射時，測試結果具不確定性，且統計變異度高，導致這類每個位置的發射範圍成為所謂的早夭區現象。S 大於 10 時，測試結果確定性更高，也更能夠預測。因此如果每個位置使用約 100次發射，就可收集足夠資訊預測光學元件的長期效能。不過每個位置使用更多發射次數，LDT 測試就需要更長時間及更高成本。

損傷偵測方法

測試結果可能出現大幅差異，視評估損傷使用的偵測方法而定，而目前業界對使用方法並無共識。雖然顯微鏡是識別損傷最常用的偵測方法，但有多項其他偵測方法，包括散射光診斷、電漿火花監控及形貌分析。

微分干涉差顯微鏡

諾馬斯基 (Nomarski) 型的微分干涉差 (DIC) 顯微鏡，是依據 ISO21254 進行雷射損傷偵測時最常用的方法。DIC 顯微鏡可利用干涉計量提升透明樣本的影像對比，以便檢視其他方法難以識別的瑕疵。² 拍攝測試前後的光學元件影像後，就可利用人為判斷或影像處理技術識別損傷。人為判斷的測試結果可能出現巨大差異，因為是由操作員主觀識別損傷，而影像處理演算法偵測損傷時，則不會出現人為錯誤。不過即使使用影像處理，仍可能因為邊角失光、照明不均勻或並未對準等因素造成誤判。除了確認損傷是否存在，DIC 顯微鏡也可判定瑕疵尺寸。

散射光診斷

ISO 21254 定義的另一項常見偵測方法為散射光診斷。此方法使用目標位置散射的光線，判定雷射誘發損傷是否存在及其特性。² 在散射光診斷中，探針光束（通常是氦氖雷射）會照明目標位置，如有任何散射訊號差異遠大於背景雜訊，就代表光學元件存在損傷 (圖 2)。探針光束本身會在接觸偵測器之前遭到攔截，因此只會從損傷位置偵測到散射光。

Figure 2: Drastic change in scatter signal after laser-induced damage onset

圖 2: 雷射誘發損傷發生後散射訊號激烈變化

在散射光診斷使用的標準設定中，偵測器立體角越大，量測敏感度就越高 (圖 3)。這種方法的缺點之一，就是受到背景雜訊量的影響非常大。克服這項問題的方式包括進行多次量測然後平均結果、提升偵測器增益，或過濾背景雜訊。

Figure 3: Schematic of a typical scattered light diagnostics setup for LIDT testing

圖 3: LDT 測試的一般散射光診斷設定圖示

電漿火花監控

電漿火花監控是另一種偵測雷射損傷的方法。雷射誘發損傷通常會在光學表面由非共振光學分解產生電漿（稱為電漿火花），導致損傷位置附近形成電漿斑點。電漿火花或斑點是光學元件損傷的明確指標。² 電漿斑點具有相對平坦的表面區域，因此難以透過顯微鏡或散射光診斷等方式加以偵測。不過電漿火花本身可於 LDT 測試期間偵測，其方法為使用一系列透鏡將光線由任何電漿火花聚焦至偵測器 (圖 4)。為了偵測損傷，因此需要過濾測試雷射散射光，且偵測器回應時間必須短於電漿火花時間；電漿火花一般在 100ns 左右達到最大值。

圖 4: LDT 測試一般電漿火花監控設定圖示

形貌分析

雷射損傷形貌分析包含產生雷射誘發損傷位置的高度圖，描述損傷大小及深度的特性。² 此方法由於更為繁雜耗時，因此並不如其他偵測方法普遍。不過這種方法可提供寶貴資訊，瞭解造成損傷的根本機制。形貌分析可利用多種不同技術進行，其中包括光學顯微鏡、原子力顯微鏡 (AFM)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、步進輪廓儀，以及白光干涉 (WLI)。

不同技術適合偵測不同類型的雷射誘發損傷。步進輪廓儀及 AFM 適合精準量測較淺的損傷位置（直徑約 200μm 以下，且深度為 1 奈米左右）。這兩種技術都需要利用機械探針掃描樣本，依據探針偏角產生高度圖。AFM 系統能夠達成遠低於奈米以下的分辨率，比可見光的光學繞射限制小 1000 倍以上。

相較於步進輪廓儀及 AFM，SEM 能夠更有效量測更深且寬高比約為 1的損傷位置，包括沈積多層鍍膜後留下的凹陷。SEM 會以聚焦的電子光束掃描樣本表面以產生影像，因此能夠更深入進入光子內部。³ 步進輪廓儀及 AFM 不適合用於量測深的損傷位置，因為其坡度陡峭，難以讓接觸探針到達瑕疵底部，無法產生精準量測結果。

穿透進入塊材或突出結構的極深損傷位置更是難以量測，因為傳統形貌分析技術僅調查光學元件表面。為了量測這類損傷位置，塊材必須以分裂或蝕刻等方式暴露，以便使用前述其中一種技術，在不同深度進行截面量測，然後將前述截面結合為完整的 3D 形貌圖。

解讀 LDT 測試結果

指定的光學元件 LDT，是以線性推斷測試資料的方式判定，以決定損傷機率為零的雷射通量。不過這樣的資料線性處理並不是真正線性。這項數值無法提供所有必要資訊，損傷仍可能在 LDT 或以下情況發生。Weibull 及 Burr 分佈為連續機率分佈，能夠更精準套用至 LDT 資料 (圖 5)。

Figure 5: Real LIDT test data with the LIDT value shown by a red vertical line and a best fit 2-parameterWeibull distribution, showing that there is still some probability of damage below the LIDT value

圖 5: 真實的 LDT 測試資料，其中以紅色垂直線顯示 LDT 值，而最佳配適的雙參數 Weibull 分佈，則顯示 LDT 值以下仍存在一些損傷機率

In 圖 5, 中在大約 5 J/cm², 的通量情況下，出現非零的損傷機率，但此數值低於指定的 LDT 值。損傷機率的垂直誤差槓，是由測試位置數量所造成，而通量的水平誤差槓，則是由測試雷射發射之間的變異造成。沒有雷射是完美的，一定會有一些熱點或強度變化。因此必須在其中增添安全係數，選擇 LDT 高於雷射使用條件的光學元件。所需的安全係數絕大部分取決於應用及雷射類型，因此沒有一體適用的共同安全係數。業界實務普遍使用 2/3 作為安全係數。不過若雷射誘發損傷是由瑕疵引起，可利用統計模型評估不同安全係數的損傷機率 (更多詳情請參閱光束直徑對 LDT 的重要性)。

Developing Internal LIDT Testing Capabilities

Edmund Optics developed a robust LIDT testbed for internal testing of laser optics. Learn about the difficulties of developing such a system and Edmund's initial results in our SPIE conference proceedings below.

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參考資料

Johnson, Lawrence A. Laser Diode Burn-In and Reliability Testing. ILX Lightwave, 2006.
Ristau, Detlev. Laser-Induced Damage in Optical Materials. CRC Press, 2016.
Kanaya, K. “Penetration and Energy-Loss Theory of Electrons in Solid Targets.” J. Phys. D: Appl. Phys. 5, 43, 1972.

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