激光诱导损伤阈值(laser-induced damage threshold,LIDT)定义为:推测的光学器件损伤概率为零的最高激光辐射量。LIDT为避免光学元件/器件在正常使用时受到损伤提供参考。实际测量的LIDT数据只能作为同批次产品的参考,不能认为低于此值绝对不会发生光学器件损伤。样品的测试点数量、样品数量和光束直径都是影响测试结果的重要因素。通常脉冲光源以J/cm2为单位,连续光源以W/cm2或W/cm(也称为平均线功率密度)为单位。
高功率应用领域常见的强度分布主要包括Gaussian和Top-hat光强度分布,激光光束强度指的是单位面积的光功率。Top-hat光在光束横截面上的光强分布是相对均匀的,而Gaussian光是横向电场以及辐照度分布近似满足高斯函数的光束,其强度分布类似高斯函数。Gaussian光束的最大能量密度约为具有相同光功率的Top-hat光束的两倍,如图1所示。
图1.相同功率Gaussian与Top-hat光的比较。
关于连续波激光光源
关于CW LIDT需要了解激光器的波长、光束直径和强度分布(Gaussian或Top-hat)。关于CW LIDT的计算主要有两种:一种为单位面积的光功率(W/cm2),另一种为平均线功率密度(W/cm)。
假设使用一台60 mW, 532 nm 的Nd:YAG激光器,光斑直径为2 mm,则其平均功率密度为:
由图1可知,Gaussian光束最大功率密度约为均匀光束平均功率密度的两倍,所以其最大平均功率密度约为:3.82 W/cm2。
同样条件下其平均线功率密度为:
由图1可知,Gaussian光束最大功率密度约为均匀光束平均功率密度的两倍,所以其最大线功率密度约为:0.6 W/cm。
关于脉冲激光光源
关于脉冲激光光源LIDT需要了解激光器的波长、光束直径、重复频率、脉冲宽度和强度分布(Gaussian或Top-hat)。脉冲激光光源的LIDT一般以J/cm2为单位。
假设使用一台高功率固体脉冲激光器,其波长1064 nm,单脉冲能量为1 J,重复频率50 Hz,光斑直径为2 cm,则其单脉冲平均能量密度为:
由图1可知,Gaussian光束最大功率密度约为均匀光束平均功率密度的两倍,所以其最大单脉冲能量密度为:0.64J/cm2。
有些情况下需要对功率和能量单位之间进行换算(1W=1J/s),假设高功率固体脉冲激光器波长1064 nm,平均功率为50W,重复频率50 Hz,光斑直径为2 cm,其单脉冲能量为:
常见的光学元件损伤原因
光学元件类产品种类庞大复杂,对于LIDT的分析可以把光学元件大致分为如下三类:镀膜类;基片类;胶合类。激光器对光学元件的损伤一般是对镀膜、光学元件基底和胶合光学元件的胶合剂的损伤。
胶合类透镜CW LIDT较低,例如LBTEK提供的400 nm-700 nm消色差双胶合透镜的CW LIDT在1.02 kW/cm(波长532 nm,光斑直径1.0 mm),而同样工作波长下的平凸、双凸透镜紫外熔融石英透镜的CW LIDT最高可达2.33 kW/cm(波长532 nm,光斑直径1.0 mm)。
高功率应用场景中,光学元件损伤的原因往往是具有多样性的。典型的激光损伤光学元件的类型包括:热损伤;介质击穿;光学元件表面缺陷局域光场增强损伤等。在一般的实验过程中,除了光学元件本身LIDT不能承受入射光能量外,光学元件表面洁净度不够(灰尘或其他物质附着)也是导致光学元件损伤的重要原因。
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