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下測量的線性功率密度。用戶不應過于依賴光學元件的指/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是通過單次或多次發射測試來測試的，而CW LIDT是通過將光學器件暴露于激光的恒定通量下一定時間來測試的。脈沖激光損傷，通過納秒到飛秒范圍內的曝光時間來測量，通常由電場或機械應力損傷引起。大于100皮秒的脈沖持續時間通常導致常規熔化。CW激光損傷是由光學器件中的熱誘導應力引起的加熱或機械故障引起的。因此，暴露時間以微秒計的準CW激光損傷是由電場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。還應考慮環境條件，特別是光學器件上方的任何氣流。

曝光時間是所考慮的光學器件受到激光功率作用的時間間隔。CW激光損傷測試的暴露時間大于1秒，但通常為每個測試位置5秒至1分鐘，或直到樣品失效。與暴露時間相關的另一個考慮因素是每次測試之間的休息時間。如果沒有給予樣品足夠的時間進行熱“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，盡管在更長的時間尺度上。這在現實世界中提供了更多的不確定性。用戶需要多長時間才能恢復光學部？這段休息時間確實可以制造或破壞視覺。

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決定。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導致涂層分層。本質上，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。

基底材料的導熱性和吸收性決定了熱量在整個光學器件中分布的輪廓。例如，硅和鍺透射光學器件通過紅外（IR）光但不通過可見光，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有損傷。因此，在CW激光測試期間，經常使用具有高反射涂層的光學器件，因為它們能夠將一些熱量從光學器件反射出去。

樣品的安裝方式是另一個需要考慮的重要參數。有時，機械應變可以由支架引入，這可以增加來自激光吸收的熱應變的影響。樣品是否用膠水固定也會影響熱量如何在整個光學器件中傳遞。此外，安裝選擇引入了通過對流冷卻的可能性，這是由于空氣流過樣品的結果。熱沉的存在以及它如何有效地吸收來自光學器件的輻射可以顯著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表面溫度升高相關聯。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。在模擬高反射光學器件的損傷閾值時，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器件的大照明區域。點照明是相對于獨立式反射光學器件的厚度的小照明區域。

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

（1）

（1.1）

（1.2）

特征時間：

（2）

其中，T0是樣品的初始溫度，α是照射波長下的吸收率分數，?是線性功率密度，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性功率密度?DT，其已經被證明隨著曝光時間的增加而降低。當忽略環境因素時，作為暴露時間的函數的線性功率密度的最小值可以通過設置T等于失效或臨界溫度TC來求解，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性功率密度。此外，ISO標準指示線性功率密度而不是輻照度的縮放。或者，考慮到環境測試條件，對于獨立式反射光學器件，表面上的溫度隨時間的升高（t）為：

（4）

（4.1）

特征時間：

（5）

其中T0是樣品的初始溫度，Tair是樣品周圍空氣的溫度，L是樣品厚度，I是輻照度，α是輻射波長下的吸收率分數，t是曝光時間。在上述兩個方程中，Heff是有效對流系數——對流和輻射貢獻的總和。考慮到樣品的兩個表面，該系數加倍仍然記住環境條件，在光學器件上有大量氣流和來自光學器件表面的輻射的情況下，可以通過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光束直徑和暴露時間的增加而降低。

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光束直徑和暴露時間的增加而降低。光束越大，就越有可能在光學器件上遇到多個缺陷，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，光學器件表面的溫度大大降低，因此，損傷閾值比未冷卻的光學器件高得多。

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，并且不是每個用戶都能夠重新創建測試光學器件的環境。安裝、靜止時間、環境條件和幾個其他參數可以改變光學器件的損傷閾值。本文中提到的各種測試條件為確定CW LIDT帶來了挑戰。