了解并激光元件的激光損傷閾值（LIDT）

2020-07-20

技術(shù)文章

了解并激光元件的激光損傷閾值（LIDT）

激光誘導(dǎo)損傷閾值 (LIDT) 在 ISO 21254 中定義為，“光學(xué)器件推測(cè)的損傷概率為零的激光輻射量”。¹LIDT 旨在激光器在損傷發(fā)生前能夠承受的大激光能量密度（脈沖激光器，通常以 J/cm² 為單位）或大激光強(qiáng)度（連續(xù)波激光器，通常以 W/cm² 為單位）。由于激光損傷試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，LIDT 不能被視為低于此值則不會(huì)發(fā)生損傷的能量密度，而是低于此值則損傷概率小于臨界風(fēng)險(xiǎn)水平的能量密度。風(fēng)險(xiǎn)水平取決于幾個(gè)因素，如光束直徑、每個(gè)樣品的測(cè)試點(diǎn)數(shù)量，以及為了確定規(guī)格而測(cè)試的樣品數(shù)量。

光學(xué)組件中的激光損傷會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低，甚至可能因此導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。對(duì) LIDT 理解不正確可能會(huì)導(dǎo)致成本顯著提高或組件故障。尤其是在處理高功率激光時(shí)，LIDT 是各類(lèi)激光光學(xué)組件（包括反射性、透射性和吸收性組件）的重要規(guī)格。業(yè)界在如何測(cè)試 LIDT、如何檢測(cè)損傷以及如何解釋測(cè)試數(shù)據(jù)方面缺乏共識(shí)，這使得 LIDT 成為一個(gè)復(fù)雜的規(guī)格。LIDT 值本身并不表示用于測(cè)試的光束直徑、管理的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的樣本數(shù)量或測(cè)試數(shù)據(jù)的分析方式。

LIDT 簡(jiǎn)介

為了確定激光器的強(qiáng)度是否會(huì)對(duì)光學(xué)元件造成損傷，需要對(duì)激光的功率、光束直徑以及激光是連續(xù)波還是脈沖等規(guī)格進(jìn)行檢查。對(duì)于脈沖激光器，還必須考慮脈沖持續(xù)時(shí)間。

激光強(qiáng)度：不像看起來(lái)那么簡(jiǎn)單

激光束的強(qiáng)度是指單位面積的光功率，通常以 W/cm² 為單位測(cè)量。激光在光束橫截面上的強(qiáng)度分布就是強(qiáng)度分布。常見(jiàn)的強(qiáng)度分布包括平頂光束和高斯光束。平頂光束（或稱(chēng)頂帽光束）在光束橫截面上的強(qiáng)度分布是恒定的。高斯光束的強(qiáng)度曲線依照高斯函數(shù)，隨距離光束中心的距離增加而減小。高斯光束的峰值能量密度是具有相同光功率的平頂光束的兩倍（圖 1）。

圖 1: 相同光功率下的高斯光束和平頂光束的比較²

高斯光束的有效光束直徑也會(huì)隨著能量密度成比例地變化。隨著注量的增加，光束寬度的較大部分具有足夠的注量，可以引發(fā)激光引起的損壞（圖2）。可以通過(guò)使用平頂光束代替高斯光束來(lái)避免這種情況（有關(guān)高斯光束的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)我們的高斯光束傳播應(yīng)用說(shuō)明）。

圖 2: 高斯光束的有效直徑隨能量密度的增加而增加，并導(dǎo)致激光誘導(dǎo)損傷的概率升高，表現(xiàn)為能量密度大的曲線寬度下的損傷點(diǎn)更多

激光的強(qiáng)度在確定與其一起使用的光學(xué)元件所需的 LIDT 方面起著重要作用。一些激光還包括一些其它產(chǎn)生熱點(diǎn)因素的區(qū)域，它們可能會(huì)導(dǎo)致激光誘導(dǎo)損傷。

連續(xù)波激光器:

連續(xù)波 (CW) 激光器的損傷通常是由于光學(xué)鍍膜或基片吸收引起的熱效應(yīng)造成的。³ 由于膠合劑的吸收或散射，膠結(jié)光學(xué)元件（如消色差）的連續(xù)波損傷閾值往往較低。

要了解 CW LIDT 規(guī)格，必須了解激光器的波長(zhǎng)、光束直徑、功率密度和強(qiáng)度分布（如高斯或平頂）。CW 激光器的 LIDT 表示為單位面積的功率，通常用 W/cm² 表示。例如，如果使用 5mW, 532nm Nd:YAG 激光，且平頂光束的直徑為 1mm，則功率密度為：

因此，如果為光學(xué)元件的 LIDT 小于 0.64W/cm²，那么在 532nm時(shí)，用戶將面臨光學(xué)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。如果使用高斯光束，則需要添加額外的系數(shù)。

脈沖激光器:

脈沖激光器以給定重復(fù)頻率發(fā)射激光能量的離散脈沖（圖 3）。每個(gè)脈沖的能量與平均功率成正比，與激光器的重復(fù)頻率成反比（圖 4）。

納秒級(jí)短激光脈沖造成的損傷通常是由于暴露在激光束的高電場(chǎng)中導(dǎo)致材料的介電擊穿。² 當(dāng)電流流過(guò)絕緣體時(shí)，由于施加的電壓超過(guò)了材料的擊穿電壓，就會(huì)發(fā)生介電擊穿。對(duì)于較長(zhǎng)的脈沖寬度或重復(fù)率較高的激光系統(tǒng)，激光誘導(dǎo)損傷可能是由熱誘導(dǎo)損傷和介電擊穿結(jié)合造成的。這是因?yàn)槊}沖持續(xù)時(shí)間仍然與電子晶格動(dòng)力變化的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，而電子晶格動(dòng)力變化是導(dǎo)致熱損傷的原因。對(duì)于持續(xù)時(shí)間約為10ps 或更少的超短脈沖，這些熱工過(guò)程可以忽略不計(jì)。⁴ 在這種情況下，通過(guò)多光子吸收、多光子電離、隧穿電離和雪崩電離等機(jī)制，從價(jià)帶到導(dǎo)帶的電子的非線性激發(fā)會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷。⁵

圖 3: 脈沖激光的脈沖隨時(shí)間按重復(fù)率的倒數(shù)分離

圖 4: 描述取決于脈沖激光器在給定平均功率下的重復(fù)率的脈沖能量

脈沖激光器的 LIDT 為以 J/cm² 為單位的能量密度，而不是功率密度。務(wù)必認(rèn)識(shí)一點(diǎn)，盡管 J/cm² 不包含時(shí)間單位，但損傷閾值取決于脈沖持續(xù)時(shí)間。在大多數(shù)情況下，LIDT 能量密度值會(huì)隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的增加而增加。要了解脈沖 LIDT 規(guī)格，必須了解激光器的波長(zhǎng)、光束直徑、脈沖能量、脈沖持續(xù)時(shí)間、重復(fù)頻率和強(qiáng)度分布（如高斯或平頂）。脈沖激光器的能量密度，脈沖能量和光束直徑之間的關(guān)系定義如下：

例如，脈沖能量為 10mJ，脈沖持續(xù)時(shí)間為 10ns，光束直徑為 10ns 的Q 開(kāi)關(guān)（脈沖）激光器將具有以下能量密度：

千焦耳級(jí)別的能量密度值高得令人難以置信，而且?guī)缀蹩隙〞?huì)損壞光學(xué)元件，因此在計(jì)算中務(wù)必考慮光束直徑而不僅僅是激光能量。

損傷機(jī)制:

除了熱積累和介質(zhì)擊穿之外，激光誘導(dǎo)損傷還可能由激光與某種缺陷的相互作用引起。缺陷包括研磨和拋光過(guò)程留下的表面下?lián)p傷、光學(xué)元件上留下的拋光磨粒的極小顆粒，或鍍膜上留下的一團(tuán)團(tuán)金屬元素。每個(gè)缺陷源都表現(xiàn)出不同的吸收特性，因?yàn)槿魏谓o定缺陷的性質(zhì)和大小都將決定光學(xué)元件在不造成損傷的情況下能夠承受的激光強(qiáng)度。

如前所述，脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)導(dǎo)致激光損傷的機(jī)制有很大的影響（圖 5）。飛秒到皮秒量級(jí)的脈沖持續(xù)時(shí)間可以激發(fā)從材料的價(jià)帶到導(dǎo)帶的電荷載子，進(jìn)而導(dǎo)致非線性效應(yīng)，包括多光子吸收、多光子電離、隧道電離和雪崩電離（表 1）。通過(guò)載波-載波散射和載波-聲子散射，將載子從導(dǎo)帶馳豫到價(jià)帶，皮秒到納秒量級(jí)的脈沖持續(xù)時(shí)間就可能導(dǎo)致?lián)p傷。

圖 5: 不同激光誘導(dǎo)損傷機(jī)制的時(shí)間依賴性⁶

損傷機(jī)制	描述
多光子吸收	能量低于材料帶隙能量的兩個(gè)或多個(gè)光子同時(shí)被吸收，使吸收不再與強(qiáng)度成線性正比的吸收過(guò)程。
多光子電離	吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上光子，其聯(lián)合能量導(dǎo)致材料中原子光電離的過(guò)程。
隧穿電離	超短激光脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)使電子通過(guò)“隧道”穿過(guò)使其與原子結(jié)合的潛在屏障，使它們得以逃脫的過(guò)程。
雪崩電離	超短激光脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)使電子加速并與其他原子碰撞的過(guò)程。這會(huì)使它們電離并釋放更多電子，并繼續(xù)電離其他原子。
載子間散射	被電場(chǎng)加速的電子與其他電子發(fā)生碰撞，使它們散射并與更多電子發(fā)生碰撞的過(guò)程。
載子-聲子散射	被電場(chǎng)加速的電子激發(fā)聲子或材料晶格中的振動(dòng)的過(guò)程。
介質(zhì)擊穿	由于施加的電壓超過(guò)材料擊穿電壓而使電流流經(jīng)絕緣體的過(guò)程。
熱效應(yīng)	由激光脈沖能量引起的材料扭曲和振動(dòng)所導(dǎo)致的熱擴(kuò)散。

表 1: 不同損傷機(jī)制的說(shuō)明

不同的損傷根源產(chǎn)生不同的激光誘導(dǎo)損傷形態(tài)（圖 6）。了解這些形貌對(duì)于鍍膜和工藝的發(fā)展很重要，但對(duì)于激光光學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，形態(tài)學(xué)僅對(duì)確定損傷是否會(huì)顯著降低激光系統(tǒng)的性能很重要。系統(tǒng)能夠處理的性能下降程度取決于應(yīng)用。例如，在某些情況下可以容忍透射降低 10%，但在另一個(gè)系統(tǒng)中，如果散射的入射光超過(guò) 1%，就可能出現(xiàn)故障。根據(jù) ISO 21254:2011 標(biāo)準(zhǔn)，激光元件在暴露于激光后出現(xiàn)的可察覺(jué)變化都被認(rèn)為是損傷。

圖 6: 不同根源引起的不同激光損傷形態(tài)

按比例縮放 LIDT:

務(wù)必記住，損傷閾值取決于波長(zhǎng)和脈沖持續(xù)時(shí)間。如果光學(xué)元件的 LIDT 的波長(zhǎng)或脈沖持續(xù)時(shí)間與應(yīng)用情況不同，則必須在應(yīng)用條件下對(duì) LIDT 進(jìn)行評(píng)估。盡可能避免 LIDT 按比例縮放；盡管很難提供適用于所有情況的嚴(yán)格縮放規(guī)則，但存在將 LIDT 值從原始波長(zhǎng) (λ₁) 和脈沖持續(xù)時(shí)間 (τ₁) 按比例縮放到新波長(zhǎng) (λ₂) 和脈沖持續(xù)時(shí)間 (τ₂) 的一般規(guī)則。⁷

這種按比例縮放不應(yīng)該應(yīng)用于較大的波長(zhǎng)或脈沖持續(xù)時(shí)間范圍。例如，對(duì)于從 1064nm 偏移到 1030nm 的波長(zhǎng)，等式 3.5 就足夠了，但是不應(yīng)該將 1064nm 的 LIDT 值縮放到一個(gè)*不同的波長(zhǎng)，例如355nm。

參考文獻(xiàn)

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