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)樣品的測試點(diǎn)數(shù)量，以及為了確定規(guī)格而測試的樣品數(shù)量。

光學(xué)組件中的激光損傷會導(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 LIDT 理解不正確可能會導(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)界在如何測試 LIDT、如何檢測損傷以及如何解釋測試數(shù)據(jù)方面缺乏共識，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試的光束直徑、管理的每個(gè)測試點(diǎn)的樣本數(shù)量或測試數(shù)據(jù)的分析方式。

LIDT 簡介

為了確定激光器的強(qiáng)度是否會對光學(xué)元件造成損傷，需要對激光的功率、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：不像看起來那么簡單

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。常見的強(qiáng)度分布包括平頂光束和高斯光束。平頂光束（或稱頂帽光束）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）。可以通過使用平頂光束代替高斯光束來避免這種情況（有關(guān)高斯光束的更多信息，請參見我們的高斯光束傳播應(yīng)用說明）。

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、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中導(dǎo)致材料的介電擊穿。² 當(dāng)電流流過絕緣體時(shí)，由于施加的電壓超過了材料的擊穿電壓，就會發(fā)生介電擊穿。對于較長的脈沖寬度或重復(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力變化的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，而電子晶格動力變化是導(dǎo)致熱損傷的原因。對于持續(xù)時(shí)間約為10ps 或更少的超短脈沖，這些熱工過程可以忽略不計(jì)。⁴ 在這種情況下，通過多光子吸收、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、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 開關(guān)（脈沖）激光器將具有以下能量密度：

千焦耳級別的能量密度值高得令人難以置信，而且?guī)缀蹩隙〞p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程。
隧穿電離	超短激光脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)電場使電子通過“隧道”穿過使其與原子結(jié)合的潛在屏障，使它們得以逃脫的過程。
雪崩電離	超短激光脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)電場使電子加速并與其他原子碰撞的過程。這會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)生碰撞的過程。
載子-聲子散射	被電場加速的電子激發(fā)聲子或材料晶格中的振動的過程。
介質(zhì)擊穿	由于施加的電壓超過材料擊穿電壓而使電流流經(jīng)絕緣體的過程。
熱效應(yīng)	由激光脈沖能量引起的材料扭曲和振動所導(dǎo)致的熱擴(kuò)散。

表 1: 不同損傷機(jī)制的說明

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）。了解這些形貌對于鍍膜和工藝的發(fā)展很重要，但對于激光光學(xué)應(yīng)用來說，形態(tài)學(xué)僅對確定損傷是否會顯著降低激光系統(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 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和脈沖持續(xù)時(shí)間。如果光學(xué)元件的 LIDT 的波長或脈沖持續(xù)時(shí)間與應(yīng)用情況不同，則必須在應(yīng)用條件下對 LIDT 進(jìn)行評估。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 (λ₁) 和脈沖持續(xù)時(shí)間 (τ₁) 按比例縮放到新波長 (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)用于較大的波長或脈沖持續(xù)時(shí)間范圍。例如，對于從 1064nm 偏移到 1030nm 的波長，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，例如355nm。

參考文獻(xiàn)

International Organization for Standardization. (2011). Lasers and laser-related equipment -- Test methods for laser-induced damage threshold -- Part 1: Definitions and general principles (ISO 21254-1:2011).
Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics。。ｃｏｍ/encyclopedia.html.
R. M. Wood, Optics and Laser Tech. 29, 517, 1998.
Jing, X. et al., “Calculation of Femtosecond Pulse Laser Induced Damage Threshold for Broadband Antireflective Microstructure Arrays.” Opt. Exp. 2009, 17, 24137.
Mao, S. S. et al., “Dynamics of Femtosecond Laser Interactions with Dielectrics.” Appl. Phys. A 2004, 79, 1695.
Mazur, Eric, and Rafael R Gattass. “Femtosecond Laser Micromachining in Transparent Materials.” Nature Photonics, vol. 2, 2008, pp. 219–225.
Carr, C. W., et al. “Wavelength Dependence of Laser-Induced Damage: Determining the Damage Initiation Mechanisms.” Physical Review Letters, 91, 12, 2003.