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光学元器件激光损伤介绍

 

 

激光损伤原理

 

1 定义:激光光强作用引起的光学材料或光学系统性能退化的过程称为激光损伤。

 

2 损伤对象:光学窗口、功能材料、激光基材、半导体材料、光学薄膜及其他光学元件或光学系统。

 

3 表现形态:

 

                   

 

4 损伤类型:

 

    

 

5 激光与材料作业类型:

5.1 热效应→导致→热损伤;

5.2 力学效应→导致→机械损伤;

5.3 非线性效应→导致→场致损伤。

一般而言,窄脉冲(<30ns)激光由电场击穿引起场致损伤,而长脉冲(>1ms)激光则表现为热损伤。

 

6 激光损伤的影响因素:

 

   6.1激光特性包括:波长及带宽;单脉冲能量;峰值功率;脉冲宽度;脉冲数;脉冲重复频率;脉冲间隔时间;入射角;偏振特性;横模特征;光斑大小及形状;激光对基底的前处理以及对膜层的后处理。

 

  6.2 作用对象:基底材料、形状及结构;表面膜层材料及结构(包括:折射率、吸收和散射、应力、结合力、均匀性、缺陷);表面粗糙度;表面洁净度;表面理化特性。

 

  6.3 环境因素:环境温湿度及洁净度;环境介质特性。

 

7 薄膜激光损伤机理:

 

激光损伤机理就损伤机制而言。首先是热损伤。激光在薄膜内产生能量沉积,由光能转化为热能,使薄膜温度提高。一旦温度超过薄膜允许极限,就会导致薄膜损伤。当薄膜的本征吸收很大时,光能可以直接转化为热能;但当本征吸收很小时,光能不能直接转化,不足以导致薄膜破坏,则电子电离和多光子吸收为主的场损伤将是导致薄膜破坏的主要因素。

 

薄膜激光诱导损伤与三个过程相联系:薄膜吸收激光束辐射的能量,吸收的能量由一些局部吸收点进行输运,由于薄膜材料热力学过程使某些局部热量集中,当这些局部区域超出某一临界温度,便出现薄膜损伤。薄膜损伤主要表现为两个方面:一是薄膜的损伤,它表现为烧蚀或脱落;二是由于基底导热性能不好,则表现为薄膜尚未毁坏,而基底却炸裂。薄膜损伤有以下几种方式:

 

熔融损伤:熔融破坏是薄膜最基本的破坏机理。当薄膜温度达到其熔化温度时就造成熔融破坏。薄膜材料的熔化点温度称为其破坏的临界温度。

 

热应力破坏:在激光辐照下,薄膜温度升高引起的热应力为:=ET(1-2)式中为热诱导应力(N/cm2),为泊松比,为线性膨胀系数(C-1)。假如薄膜温度升高到这一点,在这个温度下表面吸附力被克服,膜层开始脱落,产生灾难性损伤。Kreidl和Rood建议热诱导应力不超过1379N/cm2

 

热冲击破坏:若第一膜对和基片表面两者之间有过大的温度差异,将引起薄膜脱落和裂纹,形成薄膜的热冲击损伤。

 

缺陷损伤:材料的缺陷吸收通常大于本征吸收。在激光作用下,杂质吸收造成温度升高,若温度达到材料熔点,则造成熔融破坏;另一种是杂质在激光作用下,瞬间的高温分布使得薄膜产生微小的损伤,在连续激光的作用下,损伤不断累积,直至造成大的激光损伤。膜层软损伤:镀膜层经激光作用后,虽然形貌上未有可见的损伤,但光学性能产生了影响正常使用的变化。

 

8 不同类型膜层抗激光损伤差异:

 

AR膜:增透膜由于基底表面是场强峰值,所以膜层与基底的结合面最易受激光损伤。基底表面光洁度对激光损伤影响大。因此,对增透膜,要求基底有高平滑度并附加有适当的内涂层,以及选用其损伤阈值比界面更高的高折射率膜层。增透膜一般为双面镀,分前后表面两种情况,后表面的损伤阈值一般比前表面低1.5倍,主要是由于后表面激光在基片之间形成的驻波电场所致,决定着增诱膜的损伤阈值。

 

HR膜:一般高反膜表面较易损伤,因此,常在表面加镀半波长厚度(或其整数倍)的保护膜。在相同基底及膜料条件下,高反膜的抗激光损伤阈值最高、其次是偏振或部分反光膜,最低的是增透膜。

 

9 典型值

(1)HR laser mirror:Laser damage threshold:15J/cm2@10ns pulse,1064nm.

(2)Nd:YAG and Nd:glass laser high reflectors:>40 J/cm2 at 1064nm.

(3)Dual wavelength YAG coating:Damage threshold:10J/cm2,10ns pulse.

(4)Borosilicate and fused silica substrates narrowband anti-reflection coatings:LIDT>10MW/cm2 CW radiation at 1064 nm.

LIDT>20J/cm2 for fiber laser wavelengths on AR coating lens,at 1064 nm.

CVI Technical Optics Laser Damage Threshold Data:

    

    

    

* Multiple shot (200 shots) with 20Hz repetition rate.** Multiple shot(10 shots) with 0.2Hz repetition rate.

*** Multiple shot with 100Hz repetition rate.

**** Multiple shot(100 shots), LDT value is arithmetic average of lowest damage and highest survival power.

(5) High laser damage threshold:500MW/cm2 for Calcite;1GW/cm2 for-BBO.

 

 

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