激光損傷閾值測試及計算方法
作者：admin 發(fā)布時間：2021-02-19 15:44:57點擊：
隨著高能激光的快速發(fā)展，光學窗口、各類保護膜、增透膜及基底材料的抗激光損傷能力的評判就顯得尤為重要。在短脈沖激光下，光學元件經(jīng)受光輻射的能力的參數(shù)就叫做激光損傷閾值（Laser-induced Damage Threshold, LIDT），它代表了光學元件可以承受的最大能量密度（脈沖光源，單位J/cm2）或最大光學功率密度（連續(xù)光源，單位W/cm2）。只有精確的進行損傷閾值LIDT判定，才能進行橫向比較及工藝優(yōu)化。
一般情況下，激光輻照對光學元件的損傷主要有四類：（1）極高峰值功率直接引起的材料化學鍵損壞；（2）短脈沖激光輻射引起的介質(zhì)擊穿；（3）光吸收引起的熱效應(yīng)；（4）激光熱沖擊在材料表面產(chǎn)生的倏逝波及反向沖擊波。不同類型激光源對應(yīng)的激光損傷閾值有相應(yīng)的特點及計算方法。
一、連續(xù)激光
連續(xù)激光對光學元件的損傷主要是由熱反應(yīng)引起的，而激光損傷閾值則用最高的可承受激光密度功率表示。對于連續(xù)激光，損傷閾值由功率和光斑面積的比值表示。
例如，計算了波長為1064nm、光束直徑為0.8mm的50mW ND:YAG激光器的功率密度。
（1）計算光斑面積：光斑面積=πr2=3.14×(0.4)2=5.024×10-3cm2。
（2）計算單位面積的激光功率：功率密度=激光功率/光斑面積=50×10-3W/5.024×10-3cm2=9.95W/cm2。
將其與光學元件的損傷閾值進行比較，以確定光學元件是否合適。
這里值得一提的是：（1）對于高斯光束，損傷閾值需要是2倍的功率密度以上才是安全的；（2）光學元件的激光損傷閾值與波長成正比，即波長越大，閾值越大，例如532nm的損傷閾值是1064nm損傷閾值的一半。
二、脈沖激光
在脈沖激光作用下，光學元件的損傷閾值通常用可承受的最大脈沖能量密度來表示。對于微秒（μs）和納秒（ns）級別的脈沖激光器，損傷閾值LIDT用能量和光斑面積的比值表示。對于脈沖，損傷閾值同脈沖時間有關(guān)系，損傷閾值的計算公式如下：LIDT(y)=LIDT(x)×(y/x)1/2。
其中，LIDT(x)和LIDT(y)分別為對應(yīng)脈沖寬度（時間）下的激光損傷閾值。
對于脈寬在微秒（μs）到納秒（ns）之間的脈沖激光器，在相同激光能量下，損傷閾值與脈沖寬度的平方根在時域上成正比。例如，在1μs脈沖下，光學元件的損傷閾值是在10ns脈沖下的10倍。計算過程如下：
如果在10ns脈沖下，光學元件的損傷閾值為2J/cm2，則在相同波長的1μs激光脈沖下，光學元件的損傷閾值為2J/cm2×[10-6sec/(10*10-9sec)]1/2 =20J/cm2。
三、超快激光
對于時域?qū)挾葹槠っ牒惋w秒的超快激光器，激光脈沖具有很高的峰值功率和電場強度，能破壞輻照材料的化學鍵，導(dǎo)致介質(zhì)崩解。超快激光損傷閾值不能由納秒脈沖的損傷閾值來計算，損傷機理與脈沖寬度密切相關(guān)，難以表征。
