雷射引起的損壞閾值 (LIDT)
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雷射引起的損壞閾值 (LIDT)

隨著越來越強大的雷射系統,光學元件也在追逐更高的承受極限。為了說明這種行為,引入了LIDT(雷射誘發的損傷閾值)。以此定義關鍵的雷射功率或峰值通量,透鏡的材料或塗層無法承受,因此光輻射會導致光學特性發生永久性變化,從而永久性損壞透鏡。雷射的種類繁多,LIDT的閾值也不同,這通常是一個非常令人困惑和模糊的話題。因此,我們將在接下來的頁面中提供一些概述和解釋。

 

能量密度/通量

最常見的LIDT表示方式。 能量密度(也稱為光強通量), 能量密度是每個焦點區域雷射脈衝能量的單位,主要用於脈衝雷射。為了表達LIDT,不僅要給出值本身,而且要給出測量條件。這包括激光脈衝持續時間,脈衝重複頻率和波長。

雷射引起的損壞閾值

功率密度/輻照度

當考慮連續波雷射時,通過脈衝能量來定義LIDT沒有任何意義。因此用有效面積的激光峰值功率(單位W /cm²或W /mm²)來描述。也可以通過線性功率密度(單位W / cm或W / mm)定義損壞閾值。如果為雷射給出該值,則光束尺寸的測量是重要的。 

 雷射引起的損壞閾值

LIDT的依存關係

激光引起的損壞取決於很多因素,因此不可能在所有可能的情況下保證性能。因此,本章中給出的轉換僅是估計值。為了確保穩定和持久的高質量鏡片性能,我們建議使用量低於LIDT的50%。

LIDT接近極限操作可能會造成長時間的損壞。
LIDT值除脈衝能量或峰值功率外還取決於激光波長λ[nm],

脈衝重複頻率R [typ。]。Hz – MHz],脈衝持續時間τ[fs – ms],雷射光斑直徑dL [μm– cm] /雷射光斑面積A [μm²–cm²]和脈衝形狀。

對於連續雷射,僅波長,脈衝形狀和運動尺寸很重要。

在下面對LIDT依賴性的解釋中,將給出示例,並且所有示例均假設LIDT為1J /cm²,在1064nm處測量,脈衝持續時間為1ns,重複頻率為50Hz。

 

波長λ

對於雷射波長的任何變化,必須調整LIDT值。光子的能量取決於波長,如以下公式所示:

 雷射引起的損壞閾值

 波長較短的雷射攜帶的光子能量更高。對於較短的波長,必須格外小心。這些光子攜帶更多的能量,因此實際的LIDT值可能比估計的低得多!

 

脈衝持續時間τ

對脈衝持續時間的依賴性與平方根成比例。例如,一個100 ns的脈衝與具有相同脈衝能量的1 ns脈衝相比,1ns 脈衝的LIDT高出10倍。這可能是反直觀的!這種困惑來自於時間因素與面積因素的比較。在計算雷射光束光強通量時,確實將脈衝能量除以光束面積。但是計算中沒有考脈衝持續時間內壓縮雷射脈衝能量。這意味著,具有較短脈衝持續時間但相同的總脈衝能量的脈衝必須將相同量的能量壓縮到較短的時間間隔中。導致較高的峰值強度, 因此導致損壞的可能性更高。但出於直覺, LIDT值僅針對特定的脈衝持續時間計算出。

總之,較短的雷射脈衝會降低LIDT值,因為其具有較高的峰值強度,因此損壞材料的機會更大。因此,LIDT值的轉換對於不同的脈衝長度是必要的,因為其值沒有被直接考慮。

 

請注意,這種轉換僅在大約30 ps到幾個ms脈衝持續時間的範圍內有效。低於上述30 ps時,多光子吸收開始發生,產生新的破壞機制,因此任何光學元件在此狀態下的閾值都較低。對於大於0.1 ms的脈衝持續時間,還必須考慮輻照度的LIDT!

雷射引起的損壞閾值

脈衝重複率

具有高重複率的脈衝激光器可能表現出與連續激光器相同的行為。由於這高度依賴於吸收和散熱,因此沒有確定的規則來確定光學元件何時會因熱效應而損壞。

 

雷射光斑尺寸(直徑或面積)

光點尺寸對鏡片材料有很大的影響。例如,假設使用1064nm雷射,脈衝能量為100mJ。當光束直徑為500μm穿過透鏡時,其通量為F = 50.93 J /cm²,因此肯定會從上方破壞任何以LIDT = 1J /cm²的材料。 如果將光束擴展到5mm的光束直徑,則通量將為F = 0.51 J /cm²,則完全不會損壞材料。 

 

此資料來源的基礎是ISO21254