與脈沖激光系統(tǒng)相比，使用環(huán)境對連續(xù)波（CW）激光損傷閾值的影響更大，因此連續(xù)波激光系統(tǒng)用戶需要更加謹慎。連續(xù)波激光器的損傷閾值通常指定為在給定波長下測量的線性功率密度。用戶不應(yīng)過于依賴光學組件的指定CW損傷閾值，而不首先考慮許多可能改變該值的參數(shù)：激光功率、光束直徑和環(huán)境測試條件等。
定義與差異：
ISO標準將激光誘導損傷閾值（LIDT）定義為“入射到光學部件上的最大激光輻射量，其損傷的外推概率為零”。脈沖激光和連續(xù)激光的工作方式不同，因此顯示出不同的損傷機制。脈沖LIDT通過單次或多次測試進行測試，而連續(xù)LIDT通過將光學器件暴露于激光的恒定通量下一定時間進行測試。脈沖激光損傷，通過納秒到飛秒范圍內(nèi)的曝光時間來測量，通常是由電場或機械應(yīng)力損傷引起的。大于100皮秒的脈沖持續(xù)時間通常導致常規(guī)熔化。CW激光損傷是由光學器件中的熱誘導應(yīng)力引起的加熱或機械故障引起的。因此，曝光時間以微秒為單位的準連續(xù)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(zhàn)
連續(xù)波激光損傷閾值測試帶來了脈沖激光損傷測試中沒有的挑戰(zhàn)。CW測試需要考慮的一些主要參數(shù)包括曝光時間、光束直徑、結(jié)構(gòu)材料、樣品缺陷和安裝選擇。還應(yīng)考慮環(huán)境條件，尤其是光學器件上的任何氣流。
曝光時間是所考慮的光學器件受到激光功率的時間間隔。CW激光損傷測試的暴露時間大于1秒，但每個測試點通常為5秒至1分鐘，或者直到樣品失效。與暴露時間相關(guān)的另一個考慮因素是每次測試之間的等待時間。如果樣品沒有足夠的時間進行熱“松弛”，則樣品的下一次暴露將比上一次更困難。這在一定程度上與脈沖激光重復率有關(guān)，盡管在更長的時間尺度上。這在現(xiàn)實世界中提供了更多的不確定性；用戶將給光學器件多長時間來恢復？這段休息時間可以很好地決定光學器件的好壞。
光束將與之相互作用的缺陷數(shù)量將由選擇用于測試的光束直徑?jīng)Q定。了解光學器件表面上或表面下的任何缺陷都很重要。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易于吸收造成的。在表面處足夠的能量吸收可導致涂層的分層。從本質(zhì)上講，光束遇到的缺陷越多，損傷閾值就越低。
圖1：不同根本原因?qū)е碌募す庹T導損傷的各種形態(tài)。
襯底材料的熱導率和吸收率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，這導致第一表面上的吸收。這種第一表面吸收然后導致光學器件表面上的溫度升高，這反過來又導致顯著的溫度梯度。溫度梯度的大小可以確定樣品是否會受到損壞。因此，在連續(xù)激光測試過程中經(jīng)常使用具有高反射涂層的光學器件，因為它們能夠?qū)⒁恍崃糠瓷潆x開光學器件。
樣品的安裝方式是另一個需要考慮的重要參數(shù)。有時，支架會引入機械應(yīng)變，這會增加激光吸收引起的熱應(yīng)變的影響。樣品是否用膠水安裝也會影響熱量在整個光學器件中的傳遞方式。此外，安裝選擇引入了通過對流冷卻的可能性，這是空氣流過樣品的結(jié)果。散熱器的存在及其吸收來自光學器件的輻射的有效性可以顯著提高樣品的損傷閾值。
定標連續(xù)波損傷閾值:
Slinker等人的一項研究（2019）將CW激光誘導的損傷與光束中心的光學表面因吸收而產(chǎn)生的溫度上升直接相關(guān)。對于準連續(xù)和連續(xù)激光系統(tǒng)，熱擴散方程能夠預測和定標LIDT。在對高反射光學器件的損傷閾值進行建模時，考慮了兩種情況：泛光照明和點照明。
泛光照明被認為是薄反射光學器件的大照明區(qū)域，其中探測器安裝在散熱器上。相對于獨立反射光學器件的厚度，點照明是一個較小的照明區(qū)域。
如果忽略每個表面的對流和輻射，則光束中心表面的溫度會隨著時間（t）的推移而上升，可以由下式確定：
特征時間：
其中T0是樣品的初始溫度， α是照射波長下的分數(shù)吸收率，?是線性功率密度，k是基材的導熱系數(shù)，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發(fā)生故障的可能性。對于連續(xù)波激光器，該閾值可以被視為線性功率密度，，其已被證明隨著曝光時間的增加而減少。在忽略環(huán)境因素的情況下，線性功率密度作為曝光時間函數(shù)的最小值可以通過設(shè)置等于失效或臨界溫度Tc，并求解φ來求解：
在這些條件下，損壞樣品所需的激光功率是恒定的線性功率密度。此外，ISO標準指示按線性功率密度而非輻照度進行定標。或者，考慮到環(huán)境測試條件，對于獨立反射光學器件，表面溫度隨時間上升：
特征時間：
是樣品的初始溫度，
是樣品周圍空氣的溫度，L是樣品厚度，I是輻照度
，α是照射波長下的分數(shù)吸收率，t是曝光時間。在上述兩個方程中，
是有效對流系數(shù)——對流和輻射貢獻的總和?？紤]到樣品的兩個表面，該系數(shù)加倍。
仍然要記住環(huán)境條件，在光學器件上有顯著的氣流和來自光學器件表面的輻射的情況下，損傷閾值輻照度可以通過以下公式計算：
該損傷閾值輻照度降低到最小值：
圖2：在兩種測試條件下，輻照度隨暴露時間的增加而定標——最終顯示了測試過程中空氣流對樣品的影響。
圖3：暴露于準連續(xù)和連續(xù)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(jié)論：
對于所考慮的所有光束直徑，暴露于準連續(xù)和連續(xù)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。熱量在樣品中分散的方式取決于所用基材的尺寸和熱容。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，損傷閾值遠高于未冷卻的光學器件。
為連續(xù)激光系統(tǒng)指定LIDT最困難的部分是在可重復的條件下測試樣品。各種應(yīng)用需要不同的激光功率、光束直徑和其他有用的參數(shù)，并不是每個用戶都能重現(xiàn)測試光學器件的環(huán)境。安裝、等待時間、環(huán)境條件和其他幾個參數(shù)可以改變光學器件的損傷閾值。本文說明中提到的各種測試條件推動了指定CW LIDT的挑戰(zhàn)。
References
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles. (n.d.). Retrieved December 14, 2020, from https://www.iso.org/obp/ui/
Palmer, J. R. (1983). Continuous Wave Laser Damage on Optical Components. Optical Engineering, 22(4), 435-446.
Palmer, J. R. (1989). Thermal Shock: Catastrophic Damage To Transmissive Optical Components In High Power Continuous Wave And Repetitive Pulsed Laser Environment. Proceedings of SPIE, 1047, 87-140.
Slinker, K., Pitz, J., Sihn, S., & Vernon, J. P. (2019). Determining and scaling continuous-wave, laser-induced damage thresholds of thin reflectors. Optics Express, 27(4), 4748-4757.
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導讀
關(guān)注我們
