了解并激光元件的激光損傷閾值（LIDT）

了解并激光元件的激光損傷閾值（LIDT）

激光誘導損傷閾值 (LIDT) 在 ISO 21254 中定義為，“光學器件推測的損傷概率為零的激光輻射量”。¹LIDT 旨在激光器在損傷發生前能夠承受的大激光能量密度（脈沖激光器，通常以 J/cm² 為單位）或大激光強度（連續波激光器，通常以 W/cm² 為單位）。由于激光損傷試驗的統計性質，LIDT 不能被視為低于此值則不會發生損傷的能量密度，而是低于此值則損傷概率小于臨界風險水平的能量密度。風險水平取決于幾個因素，如光束直徑、每個樣品的測試點數量，以及為了確定規格而測試的樣品數量。

光學組件中的激光損傷會導致系統性能降低，甚至可能因此導致災難性的故障。對 LIDT 理解不正確可能會導致成本顯著提高或組件故障。尤其是在處理高功率激光時，LIDT 是各類激光光學組件（包括反射性、透射性和吸收性組件）的重要規格。業界在如何測試 LIDT、如何檢測損傷以及如何解釋測試數據方面缺乏共識，這使得 LIDT 成為一個復雜的規格。LIDT 值本身并不表示用于測試的光束直徑、管理的每個測試點的樣本數量或測試數據的分析方式。

LIDT 簡介

為了確定激光器的強度是否會對光學元件造成損傷，需要對激光的功率、光束直徑以及激光是連續波還是脈沖等規格進行檢查。對于脈沖激光器，還必須考慮脈沖持續時間。

激光強度：不像看起來那么簡單

激光束的強度是指單位面積的光功率，通常以 W/cm² 為單位測量。激光在光束橫截面上的強度分布就是強度分布。常見的強度分布包括平頂光束和高斯光束。平頂光束（或稱頂帽光束）在光束橫截面上的強度分布是恒定的。高斯光束的強度曲線依照高斯函數，隨距離光束中心的距離增加而減小。高斯光束的峰值能量密度是具有相同光功率的平頂光束的兩倍（圖 1）。

圖 1: 相同光功率下的高斯光束和平頂光束的比較²

高斯光束的有效光束直徑也會隨著能量密度成比例地變化。 隨著注量的增加，光束寬度的較大部分具有足夠的注量，可以引發激光引起的損壞（圖2）。 可以通過使用平頂光束代替高斯光束來避免這種情況（有關高斯光束的更多信息，請參見我們的高斯光束傳播應用說明）。

圖 2: 高斯光束的有效直徑隨能量密度的增加而增加，并導致激光誘導損傷的概率升高，表現為能量密度大的曲線寬度下的損傷點更多

激光的強度在確定與其一起使用的光學元件所需的 LIDT 方面起著重要作用。一些激光還包括一些其它產生熱點因素的區域，它們可能會導致激光誘導損傷。

連續波激光器:

連續波 (CW) 激光器的損傷通常是由于光學鍍膜或基片吸收引起的熱效應造成的。³ 由于膠合劑的吸收或散射，膠結光學元件（如消色差）的連續波損傷閾值往往較低。

要了解 CW LIDT 規格，必須了解激光器的波長、光束直徑、功率密度和強度分布（如高斯或平頂）。CW 激光器的 LIDT 表示為單位面積的功率，通常用 W/cm² 表示。例如，如果使用 5mW, 532nm Nd:YAG 激光，且平頂光束的直徑為 1mm，則功率密度為：

因此，如果為光學元件的 LIDT 小于 0.64W/cm²，那么在 532nm時，用戶將面臨光學損傷的風險。如果使用高斯光束，則需要添加額外的系數。

脈沖激光器:

脈沖激光器以給定重復頻率發射激光能量的離散脈沖（圖 3）。每個脈沖的能量與平均功率成正比，與激光器的重復頻率成反比（圖 4）。

納秒級短激光脈沖造成的損傷通常是由于暴露在激光束的高電場中導致材料的介電擊穿。² 當電流流過絕緣體時，由于施加的電壓超過了材料的擊穿電壓，就會發生介電擊穿。對于較長的脈沖寬度或重復率較高的激光系統，激光誘導損傷可能是由熱誘導損傷和介電擊穿結合造成的。這是因為脈沖持續時間仍然與電子晶格動力變化的持續時間有關，而電子晶格動力變化是導致熱損傷的原因。對于持續時間約為10ps 或更少的超短脈沖，這些熱工過程可以忽略不計。⁴ 在這種情況下，通過多光子吸收、多光子電離、隧穿電離和雪崩電離等機制，從價帶到導帶的電子的非線性激發會導致損傷。⁵

圖 3: 脈沖激光的脈沖隨時間按重復率的倒數分離

圖 4: 描述取決于脈沖激光器在給定平均功率下的重復率的脈沖能量

脈沖激光器的 LIDT 為以 J/cm² 為單位的能量密度，而不是功率密度。務必認識一點，盡管 J/cm² 不包含時間單位，但損傷閾值取決于脈沖持續時間。在大多數情況下，LIDT 能量密度值會隨著脈沖持續時間的增加而增加。要了解脈沖 LIDT 規格，必須了解激光器的波長、光束直徑、脈沖能量、脈沖持續時間、重復頻率和強度分布（如高斯或平頂）。脈沖激光器的能量密度，脈沖能量和光束直徑之間的關系定義如下：

例如，脈沖能量為 10mJ，脈沖持續時間為 10ns，光束直徑為 10ns 的Q 開關（脈沖）激光器將具有以下能量密度：

千焦耳級別的能量密度值高得令人難以置信，而且幾乎肯定會損壞光學元件，因此在計算中務必考慮光束直徑而不僅僅是激光能量。

損傷機制:

除了熱積累和介質擊穿之外，激光誘導損傷還可能由激光與某種缺陷的相互作用引起。缺陷包括研磨和拋光過程留下的表面下損傷、光學元件上留下的拋光磨粒的極小顆粒，或鍍膜上留下的一團團金屬元素。每個缺陷源都表現出不同的吸收特性，因為任何給定缺陷的性質和大小都將決定光學元件在不造成損傷的情況下能夠承受的激光強度。

如前所述，脈沖持續時間對導致激光損傷的機制有很大的影響（圖 5）。飛秒到皮秒量級的脈沖持續時間可以激發從材料的價帶到導帶的電荷載子，進而導致非線性效應，包括多光子吸收、多光子電離、隧道電離和雪崩電離（表 1）。通過載波-載波散射和載波-聲子散射，將載子從導帶馳豫到價帶，皮秒到納秒量級的脈沖持續時間就可能導致損傷。

圖 5: 不同激光誘導損傷機制的時間依賴性⁶

表 1: 不同損傷機制的說明

不同的損傷根源產生不同的激光誘導損傷形態（圖 6）。了解這些形貌對于鍍膜和工藝的發展很重要，但對于激光光學應用來說，形態學僅對確定損傷是否會顯著降低激光系統的性能很重要。系統能夠處理的性能下降程度取決于應用。例如，在某些情況下可以容忍透射降低 10%，但在另一個系統中，如果散射的入射光超過 1%，就可能出現故障。根據 ISO 21254:2011 標準，激光元件在暴露于激光后出現的可察覺變化都被認為是損傷。

圖 6: 不同根源引起的不同激光損傷形態

按比例縮放 LIDT:

務必記住，損傷閾值取決于波長和脈沖持續時間。如果光學元件的 LIDT 的波長或脈沖持續時間與應用情況不同，則必須在應用條件下對 LIDT 進行評估。盡可能避免 LIDT 按比例縮放；盡管很難提供適用于所有情況的嚴格縮放規則，但存在將 LIDT 值從原始波長 (λ₁) 和脈沖持續時間 (τ₁) 按比例縮放到新波長 (λ₂) 和脈沖持續時間 (τ₂) 的一般規則。⁷

這種按比例縮放不應該應用于較大的波長或脈沖持續時間范圍。例如，對于從 1064nm 偏移到 1030nm 的波長，等式 3.5 就足夠了，但是不應該將 1064nm 的 LIDT 值縮放到一個*不同的波長，例如355nm。

參考文獻

1. International Organization for Standardization. (2011). Lasers and laser-related equipment -- Test methods for laser-induced damage threshold -- Part 1: Definitions and general principles (ISO 21254-1:2011).
2. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics。。ｃｏｍ/encyclopedia.html.
3. R. M. Wood, Optics and Laser Tech. 29, 517, 1998.
4. Jing, X. et al., “Calculation of Femtosecond Pulse Laser Induced Damage Threshold for Broadband Antireflective Microstructure Arrays.” Opt. Exp. 2009, 17, 24137.
5. Mao, S. S. et al., “Dynamics of Femtosecond Laser Interactions with Dielectrics.” Appl. Phys. A 2004, 79, 1695.
6. Mazur, Eric, and Rafael R Gattass. “Femtosecond Laser Micromachining in Transparent Materials.” Nature Photonics, vol. 2, 2008, pp. 219–225.
7. Carr, C. W., et al. “Wavelength Dependence of Laser-Induced Damage: Determining the Damage Initiation Mechanisms.” Physical Review Letters, 91, 12, 2003.