激光诱导损伤阈值教程

 

在挑选光学元件时，理解所使用光学元件的激光诱导损伤阈值（LIDT）是很重要的。一个光学元件的LIDT很大程度上取决于您所使用的激光类型。连续波（CW）激光一般通过热效应（吸收）引起损伤。而脉冲激光通常在引起热损伤之前会从光学元件的晶格结构中夺取电子。请注意，这里提供的指南是以室温条件并且光学元件在全新状态为前提的（即在划痕-麻点规格内，表面无污染等。

 

测量方法

测量符合ISO/DIS11254规范。我们采用标准的1对1测量规范对损伤阈值进行测量。

首先，我们将一束低功率/能量的激光光束入射到待测光学元件。该光学元件上的10个区域在激光光束下曝光一段时间（连续激光）或曝光若干个脉冲（脉冲重复频率）。曝光后，用显微镜（放大率~100X）检测是否存在任何肉眼可见的损伤。然后记录损伤区域的数量以及对应的功率/能量。接下来，增大或者降低入射光的功率/能量，并再对光学元件曝光10个新区域。重复以上过程，直到观察到损伤为止。这样，损伤阈值就是光学元件在没有损伤时能够承受的最高功率/能量。

 

连续波和长脉冲激光

 当一个光学元件在连续波（CW）激光器照射下发生损伤时，损伤通常是由于吸收激光能量引起材料融化或光学镀膜（增透膜）的损伤引起的。在讨论LIDT时，脉冲长度超过1微秒的脉冲激光可以看作是连续波激光。此外，当脉冲长度在1纳秒和1微秒之间时，LIDT会有可能由吸收或介质击穿引起（必须同时检测连续波激光和脉冲激光的LIDT）。吸收有可能是由光学元件的内在属性或表面不平整性引起的；这样LIDT的数值只对达到或超过制造商提供的表面质量规格的光学元件才有效。尽管很多光学元件能够在高功率连续波激光下工作，但粘合（如消色差双合透镜）或高吸收（如中性密度滤光片）光学元件则具有较低连续波损伤阈值。

高脉冲重复频率（prf）的脉冲激光也会引起光学元件的热损伤。遗憾的是这很大程度上取决于吸收系数和热扩散系数等参数，因此没有可靠的方法确定高prf的激光是否会由于热效应对光学元件造成损伤。

 

为了使用光学元件规定的连续波损伤阈值，有必要了解以下信息：

              1.所使用光束的功率密度（总功率除以1/e2的面积）

              2.所使用光束的直径（1/e2）

              3.所使用光束的大致强度分布（如高斯分布）

              4.所使用激光器的波长

 所使用光束的功率密度应换算成W/cm2的单位。该计算过程假定光强分布是均匀的。现在，您必须考虑光束中的聚焦点或其他非均匀强度分布，并粗略计算最大的功率密度。例如，一束高斯光的最大功率密度是1/e2光束的两倍。

 

 现在，将最大功率密度与光学元件的损伤阈值做比较。如果光学元件不是在您使用的光波波长下进行测试的，损伤阈值必须要适当缩放。根据经验，损伤阈值和波长具有线性关系，即当波长减小时，损伤阈值也会减小（即，LIDT在1310纳米光照射时损伤阈值为10 W/cm2，655纳米时则减小为5 W/cm2），这个例子只是一个大体的趋势，并不是关于LIDT和波长的定量分析。在连续光谱内，由于膜层和基质的吸收会缩放更多，因此吸收并不会随着波长而成比例缩放。但是上面的程序对于如何确定LIDT提供了很好的方法。如果功率密度小于光学元件校正后的损伤阈值，光学元件就能适用于您的应用。损伤阈值随波长的调整公式为：

 

脉冲激光

如上所述，脉冲激光一般会对光学元件引入与连续波激光不同类型的损伤。脉冲激光通常不会通过热效应使光学元件产生损伤，而是通过剥离光学元件的电子对其造成损坏。遗憾的是，要将光学元件的LIDT规格与您使用的激光作比较是十分困难的。脉冲激光损坏光学元件有多种机制，并且损坏程度取决于激光脉冲长度。现在，必须对脉冲长度进行补偿。脉冲周期越长，光学元件能承受越多的能量。其关系可以近似为：

 

 

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