激光誘導損傷閾值(laser-induced damage threshold,LIDT)定義為:推測的光學器件損傷概率為零的最高激光輻射量。LIDT為避免光學元件/器件在正常使用時受到損傷提供參考。實際測量的LIDT數據只能作為同批次產品的參考,不能認為低于此值絕對不會發生光學器件損傷。樣品的測試點數量、樣品數量和光束直徑都是影響測試結果的重要因素。通常脈沖光源以J/cm2為單位,連續光源以W/cm2或W/cm(也稱為平均線功率密度)為單位。
高功率應用領域常見的強度分布主要包括Gaussian和Top-hat光強度分布,激光光束強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的光束,其強度分布類似高斯函數。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。
關于連續波激光光源
關于CW LIDT需要了解激光器的波長、光束直徑和強度分布(Gaussian或Top-hat)。關于CW LIDT的計算主要有兩種: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)。
假設使用一臺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。
關于脈沖激光光源
關于脈沖激光光源LIDT需要了解激光器的波長、光束直徑、重復頻率、脈沖寬度和強度分布(Gaussian或Top-hat)。脈沖激光光源的LIDT一般以J/cm2為單位。
假設使用一臺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行換算(1W=1J/s),假設高功率固體脈沖激光器波長1064 nm,平均功率為50W,重復頻率50 Hz,光斑直徑為2 cm,其單脈沖能量為:
常見的光學元件損傷原因
光學元件類產品種類龐大復雜,對于LIDT的分析可以把光學元件大致分為如下三類:鍍膜類;基片類;膠合類。激光器對光學元件的損傷一般是對鍍膜、光學元件基底和膠合光學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2.33 kW/cm(波長532 nm,光斑直徑1.0 mm)。
高功率應用場景中,光學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元件的類型包括:熱損傷;介質擊穿;光學元件表面缺陷局域光場增強損傷等。在一般的實驗過程中,除了光學元件本身LIDT不能承受入射光能量外,光學元件表面潔凈度不夠(灰塵或其他物質附著)也是導致光學元件損傷的重要原因。
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