確定連續激光器損傷閾值的挑戰

確定連續激光器損傷閾值的挑戰

使用環(huán)境對連續波（CW）激光損傷閾值的影響比對脈沖激光系統的影響更大，因此CW激光系統用戶(hù)需要更加謹慎。CW激光器的損傷閾值通常規定為在給定波長(cháng)下測量的線(xiàn)性功率密度。用戶(hù)不應過(guò)于依賴(lài)光學(xué)元件的指/定CW損傷閾值，而不首先考慮可能改變該值的許多參數：激光功率、光束直徑和環(huán)境測試條件等。

定義與區別：

ISO標準將激光誘導損傷閾值（LIDT）定義為“光學(xué)器件推測的損傷概率為零的最高激光輻射量 "。脈沖激光和連續激光的工作方式不同，因此表現出不同的損傷機制。脈沖LIDT是通過(guò)單次或多次發(fā)射測試來(lái)測試的，而CW LIDT是通過(guò)將光學(xué)器件暴露于激光的恒定通量下一定時(shí)間來(lái)測試的。脈沖激光損傷，通過(guò)納秒到飛秒范圍內的曝光時(shí)間來(lái)測量，通常由電場(chǎng)或機械應力損傷引起。大于100皮秒的脈沖持續時(shí)間通常導致常規熔化。CW激光損傷是由光學(xué)器件中的熱誘導應力引起的加熱或機械故障引起的。因此，暴露時(shí)間以微秒計的準CW激光損傷是由電場(chǎng)和熱損傷的組合引起的。

指/定和測試CW LIDT的獨/特挑戰

使用CW激光器的損傷閾值測試提出了在脈沖激光損傷測試中不存在的挑戰。CW測試需要考慮的一些主要參數包括暴露時(shí)間、光束直徑、結構材料、樣品上的缺陷和安裝選擇。還應考慮環(huán)境條件，特別是光學(xué)器件上方的任何氣流。

曝光時(shí)間是所考慮的光學(xué)器件受到激光功率作用的時(shí)間間隔。CW激光損傷測試的暴露時(shí)間大于1秒，但通常為每個(gè)測試位置5秒至1分鐘，或直到樣品失效。與暴露時(shí)間相關(guān)的另一個(gè)考慮因素是每次測試之間的休息時(shí)間。如果沒(méi)有給予樣品足夠的時(shí)間進(jìn)行熱“松弛"，則下一次對樣品的曝光將比上一次更困難。這在某種程度上與脈沖激光重復率有關(guān)，盡管在更長(cháng)的時(shí)間尺度上。這在現實(shí)世界中提供了更多的不確定性。用戶(hù)需要多長(cháng)時(shí)間才能恢復光學(xué)部？這段休息時(shí)間確實(shí)可以制造或破壞視覺(jué)。

光束將與之相互作用的缺陷數量將由選擇用于測試的光束直徑?jīng)Q定。了解鏡片表面上或表面下的任何缺陷是很重要的。缺陷可以是表面下的損傷，如裂紋或凹槽，也可以是表面的缺陷，如涂層的缺陷或光學(xué)器件上的污染物。涂層損壞通常是由于表面上的灰塵或劃痕容易吸收造成的。表面上足夠的能量吸收會(huì )導致涂層分層。本質(zhì)上，光束遇到的缺陷越多，損傷閾值就越低。

圖1：由不同根本原因導致的激光誘導損傷的各種形態(tài)。

基底材料的導熱性和吸收性決定了熱量在整個(gè)光學(xué)器件中分布的輪廓。例如，硅和鍺透射光學(xué)器件通過(guò)紅外（IR）光但不通過(guò)可見(jiàn)光，這導致在第一表面上的吸收。然后，該第一表面吸收引起光學(xué)器件表面上的溫度升高，這又引起相當大的溫度梯度。溫度梯度的大小可以決定樣品是否會(huì )有損傷。因此，在CW激光測試期間，經(jīng)常使用具有高反射涂層的光學(xué)器件，因為它們能夠將一些熱量從光學(xué)器件反射出去。

樣品的安裝方式是另一個(gè)需要考慮的重要參數。有時(shí)，機械應變可以由支架引入，這可以增加來(lái)自激光吸收的熱應變的影響。樣品是否用膠水固定也會(huì )影響熱量如何在整個(gè)光學(xué)器件中傳遞。此外，安裝選擇引入了通過(guò)對流冷卻的可能性，這是由于空氣流過(guò)樣品的結果。熱沉的存在以及它如何有效地吸收來(lái)自光學(xué)器件的輻射可以顯著(zhù)地增加樣品的損傷閾值。

縮放連續波損傷閾值：

斯林克等人的研究（2019），將CW激光誘導的損傷直接與由于吸收導致的光束中心的光學(xué)表面溫度升高相關(guān)聯(lián)。對于準連續和連續激光系統，熱擴散方程能夠預測和標定激光損傷閾值。在模擬高反射光學(xué)器件的損傷閾值時(shí)，考慮了兩種情況：泛光照明和光斑照明。泛光照明被認為是具有安裝在散熱器上的探測器的薄反射光學(xué)器件的大照明區域。點(diǎn)照明是相對于獨立式反射光學(xué)器件的厚度的小照明區域。

如果忽略每個(gè)表面上的對流和輻射，則梁中心表面上的溫升隨時(shí)間（t）的變化可由下式確定：

（1）

（1.1）

（1.2）

特征時(shí)間：

（2）

其中，T0是樣品的初始溫度，α是照射波長(cháng)下的吸收率分數，?是線(xiàn)性功率密度，K是基底的熱導率，ρ是樣品密度，R是樣品的半徑，CP是比熱容.

損傷閾值告訴我們光學(xué)器件在一定量的激光輻射下失效的可能性。對于CW激光器，該閾值可以被認為是線(xiàn)性功率密度?DT，其已經(jīng)被證明隨著(zhù)曝光時(shí)間的增加而降低。當忽略環(huán)境因素時(shí)，作為暴露時(shí)間的函數的線(xiàn)性功率密度的最小值可以通過(guò)設置T等于失效或臨界溫度TC來(lái)求解，并求解?：

（3）

在這些條件下，破壞樣品所需的激光功率是恒定的線(xiàn)性功率密度。此外，ISO標準指示線(xiàn)性功率密度而不是輻照度的縮放?；蛘?，考慮到環(huán)境測試條件，對于獨立式反射光學(xué)器件，表面上的溫度隨時(shí)間的升高（t）為：

（4）

（4.1）

特征時(shí)間：

（5）

其中T0是樣品的初始溫度，Tair是樣品周?chē)諝獾臏囟?，L是樣品厚度，I是輻照度，α是輻射波長(cháng)下的吸收率分數，t是曝光時(shí)間。在上述兩個(gè)方程中，Heff是有效對流系數——對流和輻射貢獻的總和?？紤]到樣品的兩個(gè)表面，該系數加倍仍然記住環(huán)境條件，在光學(xué)器件上有大量氣流和來(lái)自光學(xué)器件表面的輻射的情況下，可以通過(guò)下式計算損傷閾值輻照度：

（6）

該損傷閾值輻照度降低到最小值：

（7）

圖2：在兩種測試條件下，輻照度隨暴露時(shí)間的增加而增加-最終顯示測試期間氣流對樣品的影響。

圖3：暴露于準CW和CW激光的樣品的損傷閾值隨著(zhù)光束直徑和暴露時(shí)間的增加而降低。

結論

對于所考慮的所有光束直徑，暴露于準連續和連續激光的樣品的損傷閾值隨著(zhù)光束直徑和暴露時(shí)間的增加而降低。光束越大，就越有可能在光學(xué)器件上遇到多個(gè)缺陷，從而降低損傷閾值。熱量在樣品中擴散的方式取決于所用基底的尺寸和熱容。在樣品上方有高速氣流的條件下，光學(xué)器件表面的溫度大大降低，因此，損傷閾值比未冷卻的光學(xué)器件高得多。

確定CW激光系統的激光損傷閾值最困難的部分是在可再現的條件下測試樣品。不同的應用需要不同的激光功率、光束直徑和其他有用的參數，并且不是每個(gè)用戶(hù)都能夠重新創(chuàng )建測試光學(xué)器件的環(huán)境。安裝、靜止時(shí)間、環(huán)境條件和幾個(gè)其他參數可以改變光學(xué)器件的損傷閾值。本文中提到的各種測試條件為確定CW LIDT帶來(lái)了挑戰。