激光损伤阈值
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激光损伤阈值
Newport理波原创
在光学实验和应用中,当选择光学元件时,一个很重要的因素是光学元件是否可以承受光辐射带来的影响,这一点在高功率激光应用中尤为重要。
光辐射对光学元件的损伤主要有三种形式:一是因光吸收导致的热效应;二是短脉冲激光辐射下造成的介质击穿;三是超短脉冲激光下,因极高的峰值功率而直接导致的物质化学键破坏。
衡量一个光学元件承受光辐射能力的参数是激光损伤阈值,代表元件可以承受的最大光功率密度(连续光源)或最大能量密度(脉冲光源),常见单位分别是W/cm2和J/cm2。
本篇我们将对不同形式的激光光源对应的激光损伤阈值进行讨论。
连续激光对光学元件的损伤,主要是由光吸收形成的热效应造成的,损伤阈值由最高可承受的激光功率密度表示。
例如,计算一个功率为50mW的Nd:YAG激光器的功率密度,波长1064nm,光束直径0.8 mm。
首先,计算激光的光斑面积大小:
光斑面积= πr2
= 3.14 x (0.4 mm)2
= 5.024 x 10-3 cm2
然后计算功率密度,即每单位面积上的激光功率:
功率密度
= 激光功率/ 光斑面积=9.95 W/cm2
把它与光学元件的损伤阈值比较,来判断该光学元件是否适用。
对于一束高斯激光光束,为了保险起见,通常需要在计算得到的激光功率密度上乘以2,代表高斯光束中心区域的较高功率密度。
请注意,光学元件的激光损伤阈值随波长成比例关系。
例如,在532nm处的损伤阈值大约是1064nm处阈值的一半。
光学元件在脉冲激光下的损伤阈值,通常由最大可承受的脉冲能量密度来表示。
对于脉冲宽度在微秒和纳秒之间的脉冲激光,损伤阈值和脉冲的时域宽度的平方根成比例关系。
例如,一个光学元件在1µs脉冲下的损伤阈值,是其在10ns脉冲下损伤阈值的10倍。
Newport提供的光学元件,一般都会给出两种激光损伤阈值,一种对应连续激光,一种对应10ns脉宽的脉冲激光。
假如有一光学元件在10ns脉冲下的损坏阈值是2J/cm2,那么它在同样波长的1µs的激光脉冲下的损伤阈值则是2J/cm2 * (10-6 sec/ 10 x 10-9 sec)1/2 =20 J/cm2。
对于脉冲宽度在毫秒和连续激光之间的区域,因它处于脉冲激光和连续激光之间的交叠范围,通常比较安全的做法是,同时比较光学元件的连续和脉冲激光损伤阈值,使得两种情况都能满足。
另外,在脉冲激光光束中,常有一些较高功率的热点。
因此,建议在计算得到的能量或功率密度和光学元件的损伤阈值之间,留有大概2或3倍的安全系数,以保证光学元件不被损坏。
高斯光束也同样需要考虑2倍系数,代表光束中心的高功率密度。
对于脉冲的时域宽度在皮秒和飞秒范围内的超快激光,在激光脉冲内具有极高的峰值功率和电场强度,可对被辐射物质的化学键造成破坏,并诱导介质击穿。
超快激光的损伤阈值通常都无法从纳秒脉冲的损伤阈值中计算得到,且损伤机制与脉冲宽度有很大关系,不易表征。
Newport提供的UF.25镀膜的45°超快反射镜,经过实验测试,可承受峰值功率1TW/cm2,脉宽100fs,重频5Hz,中心波长800nm脉冲激光的辐射,是超快激光应用的理想选择。