確定連續(xù)激光器損傷閾值的挑戰(zhàn)

使用環(huán)境對連續(xù)波（CW）激光損傷閾值的影響比對脈沖激光系統(tǒng)的影響更大，因此CW激光系統(tǒng)用戶需要更加謹(jǐn)慎。CW激光器的損傷閾值通常規(guī)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(xué)元件的指/定CW損傷閾值，而不首先考慮可能改變該值的許多參數(shù)：激光功率、光束直徑和環(huán)境測試條件等。

定義與區(qū)別：

ISO標(biāo)準(zhǔn)將激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT）定義為“光學(xué)器件推測的損傷概率為零的最高激光輻射量 "。脈沖激光和連續(xù)激光的工作方式不同，因此表現(xiàn)出不同的損傷機(jī)制。脈沖LIDT是通過單次或多次發(fā)射測試來測試的，而CW LIDT是通過將光學(xué)器件暴露于激光的恒定通量下一定時(shí)間來測試的。脈沖激光損傷，通過納秒到飛秒范圍內(nèi)的曝光時(shí)間來測量，通常由電場或機(jī)械應(yīng)力損傷引起。大于100皮秒的脈沖持續(xù)時(shí)間通常導(dǎo)致常規(guī)熔化。CW激光損傷是由光學(xué)器件中的熱誘導(dǎo)應(yīng)力引起的加熱或機(jī)械故障引起的。因此，暴露時(shí)間以微秒計(jì)的準(zhǔn)CW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(dú)/特挑戰(zhàn)

使用CW激光器的損傷閾值測試提出了在脈沖激光損傷測試中不存在的挑戰(zhàn)。CW測試需要考慮的一些主要參數(shù)包括暴露時(shí)間、光束直徑、結(jié)構(gòu)材料、樣品上的缺陷和安裝選擇。還應(yīng)考慮環(huán)境條件，特別是光學(xué)器件上方的任何氣流。

曝光時(shí)間是所考慮的光學(xué)器件受到激光功率作用的時(shí)間間隔。CW激光損傷測試的暴露時(shí)間大于1秒，但通常為每個(gè)測試位置5秒至1分鐘，或直到樣品失效。與暴露時(shí)間相關(guān)的另一個(gè)考慮因素是每次測試之間的休息時(shí)間。如果沒有給予樣品足夠的時(shí)間進(jìn)行熱“松弛"，則下一次對樣品的曝光將比上一次更困難。這在某種程度上與脈沖激光重復(fù)率有關(guān)，盡管在更長的時(shí)間尺度上。這在現(xiàn)實(shí)世界中提供了更多的不確定性。用戶需要多長時(shí)間才能恢復(fù)光學(xué)部？這段休息時(shí)間確實(shí)可以制造或破壞視覺。

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。了解鏡片表面上或表面下的任何缺陷是很重要的。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(xué)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容易吸收造成的。表面上足夠的能量吸收會(huì)導(dǎo)致涂層分層。本質(zhì)上，光束遇到的缺陷越多，損傷閾值就越低。

圖1：由不同根本原因?qū)е碌募す庹T導(dǎo)損傷的各種形態(tài)。

基底材料的導(dǎo)熱性和吸收性決定了熱量在整個(gè)光學(xué)器件中分布的輪廓。例如，硅和鍺透射光學(xué)器件通過紅外（IR）光但不通過可見光，這導(dǎo)致在第一表面上的吸收。然后，該第一表面吸收引起光學(xué)器件表面上的溫度升高，這又引起相當(dāng)大的溫度梯度。溫度梯度的大小可以決定樣品是否會(huì)有損傷。因此，在CW激光測試期間，經(jīng)常使用具有高反射涂層的光學(xué)器件，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)⒁恍崃繌墓鈱W(xué)器件反射出去。

樣品的安裝方式是另一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)。有時(shí)，機(jī)械應(yīng)變可以由支架引入，這可以增加來自激光吸收的熱應(yīng)變的影響。樣品是否用膠水固定也會(huì)影響熱量如何在整個(gè)光學(xué)器件中傳遞。此外，安裝選擇引入了通過對流冷卻的可能性，這是由于空氣流過樣品的結(jié)果。熱沉的存在以及它如何有效地吸收來自光學(xué)器件的輻射可以顯著地增加樣品的損傷閾值。

縮放連續(xù)波損傷閾值：

斯林克等人的研究（2019），將CW激光誘導(dǎo)的損傷直接與由于吸收導(dǎo)致的光束中心的光學(xué)表面溫度升高相關(guān)聯(lián)。對于準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)激光系統(tǒng)，熱擴(kuò)散方程能夠預(yù)測和標(biāo)定激光損傷閾值。在模擬高反射光學(xué)器件的損傷閾值時(shí)，考慮了兩種情況：泛光照明和光斑照明。泛光照明被認(rèn)為是具有安裝在散熱器上的探測器的薄反射光學(xué)器件的大照明區(qū)域。點(diǎn)照明是相對于獨(dú)立式反射光學(xué)器件的厚度的小照明區(qū)域。

如果忽略每個(gè)表面上的對流和輻射，則梁中心表面上的溫升隨時(shí)間（t）的變化可由下式確定：

（1）

（1.1）

（1.2）

特征時(shí)間：

（2）

其中，T0是樣品的初始溫度，α是照射波長下的吸收率分?jǐn)?shù)，?是線性功率密度，K是基底的熱導(dǎo)率，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(xué)器件在一定量的激光輻射下失效的可能性。對于CW激光器，該閾值可以被認(rèn)為是線性功率密度?DT，其已經(jīng)被證明隨著曝光時(shí)間的增加而降低。當(dāng)忽略環(huán)境因素時(shí)，作為暴露時(shí)間的函數(shù)的線性功率密度的最小值可以通過設(shè)置T等于失效或臨界溫度TC來求解，并求解?：

（3）

在這些條件下，破壞樣品所需的激光功率是恒定的線性功率密度。此外，ISO標(biāo)準(zhǔn)指示線性功率密度而不是輻照度的縮放?；蛘撸紤]到環(huán)境測試條件，對于獨(dú)立式反射光學(xué)器件，表面上的溫度隨時(shí)間的升高（t）為：

（4）

（4.1）

特征時(shí)間：

（5）

其中T0是樣品的初始溫度，Tair是樣品周圍空氣的溫度，L是樣品厚度，I是輻照度，α是輻射波長下的吸收率分?jǐn)?shù)，t是曝光時(shí)間。在上述兩個(gè)方程中，Heff是有效對流系數(shù)——對流和輻射貢獻(xiàn)的總和。考慮到樣品的兩個(gè)表面，該系數(shù)加倍仍然記住環(huán)境條件，在光學(xué)器件上有大量氣流和來自光學(xué)器件表面的輻射的情況下，可以通過下式計(jì)算損傷閾值輻照度：

（6）

該損傷閾值輻照度降低到最小值：

（7）

圖2：在兩種測試條件下，輻照度隨暴露時(shí)間的增加而增加-最終顯示測試期間氣流對樣品的影響。

圖3：暴露于準(zhǔn)CW和CW激光的樣品的損傷閾值隨著光束直徑和暴露時(shí)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(zhǔn)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(shí)間的增加而降低。光束越大，就越有可能在光學(xué)器件上遇到多個(gè)缺陷，從而降低損傷閾值。熱量在樣品中擴(kuò)散的方式取決于所用基底的尺寸和熱容。在樣品上方有高速氣流的條件下，光學(xué)器件表面的溫度大大降低，因此，損傷閾值比未冷卻的光學(xué)器件高得多。

確定CW激光系統(tǒng)的激光損傷閾值最困難的部分是在可再現(xiàn)的條件下測試樣品。不同的應(yīng)用需要不同的激光功率、光束直徑和其他有用的參數(shù)，并且不是每個(gè)用戶都能夠重新創(chuàng)建測試光學(xué)器件的環(huán)境。安裝、靜止時(shí)間、環(huán)境條件和幾個(gè)其他參數(shù)可以改變光學(xué)器件的損傷閾值。本文中提到的各種測試條件為確定CW LIDT帶來了挑戰(zhàn)。