激光誘導(dǎo)損傷閾值(laser-induced damage threshold,LIDT)定義為:推測的光學(xué)器件損傷概率為零的最高激光輻射量。LIDT為避免光學(xué)元件/器件在正常使用時(shí)受到損傷提供參考。實(shí)際測量的LIDT數(shù)據(jù)只能作為同批次產(chǎn)品的參考,不能認(rèn)為低于此值絕對不會(huì)發(fā)生光學(xué)器件損傷。樣品的測試點(diǎn)數(shù)量、樣品數(shù)量和光束直徑都是影響測試結(jié)果的重要因素。通常脈沖光源以J/cm2為單位,連續(xù)光源以W/cm2或W/cm(也稱為平均線功率密度)為單位。
高功率應(yīng)用領(lǐng)域常見的強(qiáng)度分布主要包括Gaussian和Top-hat光強(qiáng)度分布,激光光束強(qiáng)度指的是單位面積的光功率。Top-hat光在光束橫截面上的光強(qiáng)分布是相對均勻的,而Gaussian光是橫向電場以及輻照度分布近似滿足高斯函數(shù)的光束,其強(qiáng)度分布類似高斯函數(shù)。Gaussian光束的最大能量密度約為具有相同光功率的Top-hat光束的兩倍,如圖1所示。
圖1.相同功率Gaussian與Top-hat光的比較。
關(guān)于連續(xù)波激光光源
關(guān)于CW LIDT需要了解激光器的波長、光束直徑和強(qiáng)度分布(Gaussian或Top-hat)。關(guān)于CW LIDT的計(jì)算主要有兩種:一種為單位面積的光功率(W/cm2),另一種為平均線功率密度(W/cm)。
假設(shè)使用一臺(tái)60 mW, 532 nm 的Nd:YAG激光器,光斑直徑為2 mm,則其平均功率密度為:
由圖1可知,Gaussian光束最大功率密度約為均勻光束平均功率密度的兩倍,所以其最大平均功率密度約為:3.82 W/cm2。
同樣條件下其平均線功率密度為:
由圖1可知,Gaussian光束最大功率密度約為均勻光束平均功率密度的兩倍,所以其最大線功率密度約為:0.6 W/cm。
關(guān)于脈沖激光光源
關(guān)于脈沖激光光源LIDT需要了解激光器的波長、光束直徑、重復(fù)頻率、脈沖寬度和強(qiáng)度分布(Gaussian或Top-hat)。脈沖激光光源的LIDT一般以J/cm2為單位。
假設(shè)使用一臺(tái)高功率固體脈沖激光器,其波長1064 nm,單脈沖能量為1 J,重復(fù)頻率50 Hz,光斑直徑為2 cm,則其單脈沖平均能量密度為:
由圖1可知,Gaussian光束最大功率密度約為均勻光束平均功率密度的兩倍,所以其最大單脈沖能量密度為:0.64J/cm2。
有些情況下需要對功率和能量單位之間進(jìn)行換算(1W=1J/s),假設(shè)高功率固體脈沖激光器波長1064 nm,平均功率為50W,重復(fù)頻率50 Hz,光斑直徑為2 cm,其單脈沖能量為:
常見的光學(xué)元件損傷原因
光學(xué)元件類產(chǎn)品種類龐大復(fù)雜,對于LIDT的分析可以把光學(xué)元件大致分為如下三類:鍍膜類;基片類;膠合類。激光器對光學(xué)元件的損傷一般是對鍍膜、光學(xué)元件基底和膠合光學(xué)元件的膠合劑的損傷。
膠合類透鏡CW LIDT較低,例如LBTEK提供的400 nm-700 nm消色差雙膠合透鏡的CW LIDT在1.02 kW/cm(波長532 nm,光斑直徑1.0 mm),而同樣工作波長下的平凸、雙凸透鏡紫外熔融石英透鏡的CW LIDT最高可達(dá)2.33 kW/cm(波長532 nm,光斑直徑1.0 mm)。
高功率應(yīng)用場景中,光學(xué)元件損傷的原因往往是具有多樣性的。典型的激光損傷光學(xué)元件的類型包括:熱損傷;介質(zhì)擊穿;光學(xué)元件表面缺陷局域光場增強(qiáng)損傷等。在一般的實(shí)驗(yàn)過程中,除了光學(xué)元件本身LIDT不能承受入射光能量外,光學(xué)元件表面潔凈度不夠(灰塵或其他物質(zhì)附著)也是導(dǎo)致光學(xué)元件損傷的重要原因。
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