Highspeed Retroreflex-Punktellipsometer zur Abbildung und Vermessung schneller Materialveränderungen 

LIDT-Prüfung

LIDT steht für Laser Induced Damage Threshold (laserinduzierte Zerstörschwelle) und charakterisiert die Belastbarkeit optischer Komponenten gegenüber Laserstrahlung. Eine wichtige Kenngröße, da besonders beim Einsatz leistungsstarker Lasersysteme keine optische Komponente durch die hohe Energie der Strahlung geschädigt werden darf. Beispielsweise darf das Laserskalpell des Chirurgen während einer Operation nicht stumpf werden oder gar in eine unvorhersehbare Richtung schneiden. 

Durchführung einer Prüfung

Eine objektive Prüfung der Belastbarkeit ist eine extrem herausfordernde Aufgabe, da sie von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, nicht zuletzt auch von der Laserwellenlänge, der Pulsdauer etc. Deshalb wurden mehrere Verfahren entwickelt sowie eine Norm festgelegt (DIN-ISO 21524), die derzeit noch weiterentwickelt wird. In allen Verfahren werden Fehlstellen auf den Prüflingen durch die Laserbestrahlung mit unterschiedlich hohen Energien erzeugt. In jedem Fall ist ein Detektor erforderlich, der bei Eintritt eines Schadens die weitere Bestrahlung stoppt.

Zumeist werden mehrere Fehler bei unterschiedlich hoher Bestrahlungsstärke auf dem gleichen Prüfling erzeugt (s. Bild links). Daraus wird mit einer statistischen Auswertung ermittelt bis zu welcher Belastungsgrenze eine bestimmte Art von Optik, Beschichtung etc. sicher verwendet werden kann.

Anforderungen an einen Detektor eines LIDT-Prüfsystem

1. Geschwindigkeit:          die Materialbehandlung erfolgt mit Laserpulsen (Dauer wenige µs, Pulsraten bis 1 kHz)

2. Automatisierung:         Abbruchsignal nach einer beobachtbaren Materialänderung (vor nächstem Puls)

3. Wunsch 1:                         genaue Charakterisierung der optischen Eigenschaften der Probe (zu jedem Zeitpunkt)   

4. Wunsch 2:                        Informationen über Prozesse während der Bestrahlung 

5. Wunsch 3:                        Minimaler Justageaufwand (besonders bei der Prüfung nonplanarer Optiken)

Erfüllung dieser Anforderungen und Wünsche - der realisierte Sensor (TRL 6)

1. Messungen und Geschwindigkeit

Einzelmessungen erfolgen mit einer Messrate von >12 MHz. In dieser Applikation werden abwechselnd jeweils vier unterschiedliche Polarisationsmessungen durchgeführt, die den Polarisationszustand der detektierten Strahlung eindeutig charakterisieren. Sie werden im Sensor für die einzelnen Bereiche direkt ausgewertet und / oder als Bildpunkte eines 4-kanaligen Polarisationsbildes an einer GigE-Bildschnittstelle zur Verfügung gestellt. Pro Laserpuls wird eine Bildzeile aufgenommen. Die Aufnahme kann durch ein entsprechendes Triggersignal so eingestellt werden, dass in jeder Bildzeile die Polarisationsinformation vor, während und nach der Bestrahlung gesammelt wird (s. Bilder rechts).

2. Abbruch der weiteren Bestrahlung

Direkt nach einer Zwischenspeicherung der Messwerte können sie im Sensor selbst ausgewertet werden. Bei Detektion einer signifikanten Änderung der Polarisationswerte gibt der Sensor direkt ein Signal an das Prüfsystem aus. Die gespeicherten Werte werden anschließend als Bildzeile zur Verfügung gestellt. Zur Unterstützung beim Einrichten lassen sich die Auswertbereichsgrenzen in die Bilder einblenden (s. rechtes Bild).

3. Genaue Charakterisierung der Prüflinge

Mit Kenntnis des Einfallswinkels der Laserstrahlung auf einen planaren Prüfling kann eine ellipsometrische Auswertung der Polarisations-Messwerte erfolgen, aus der beispielsweise die Materialeigenschaften des Objekts, der Beschichtung oder die Schichtdicke einer Beschichtung ermittelbar ist.

Durch das verwendete Prinzip der Retroreflex-Ellipsometrie ist keine aufwändige Nachjustage des Detektors für jeden untersuchten Punkt eines non-planaren Prüflings nötig. Mit einer zusätzlichen Modulation der Beleuchtung kann für diese Proben der Drehwinkel der Oberfächennormale am untersuchten Objektpunkt zum Koordinatensystem des Detektors bestimmt werden. Mit Kenntnis des prinzipiellen Formverlaufs der Oberfläche ist damit eine quantitative ellipsometrische Auswertung sogar an non-planaren Oberflächen möglich.

4. Informationen über Prozesse während der Bestrahlung

Siehe Veränderungen während der Bestrahlung (ab Zeitpunkt 0 µs) in den Bildern oben rechts.

5. Justageaufwand

Durch das Prinzip der Retroreflex-Ellipsometrie muss der Sensor lediglich einmalig so eingestellt werden, dass der Auftreffpunkt seines Beleuchtungsstrahls auf der Probe mit dem des bestrahlenden Lasers übereinstimmt. Zusätzlich muss lediglich visuell kontrolliert werden, dass der reflektierte Strahl den Retroreflektor trifft. Eine Nachjustage bei jedem einzelnen Messpunkt eines non-planaren Prüflings ist nicht erforderlich.