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光束直径对激光损伤阈值的重要性

光束直径对激光损伤阈值的重要性

This is Section 3.5 of the Laser Optics Resource Guide.

激光的直径会严重影响光学元件的 LIDT,因为光束直径直接影响激光诱导损伤的概率。1 如果用于 LIDT 测试的激光器光束尺寸明显大于光学元件上的缺陷密度,触发稀有损伤机制的可能性很高 - 这些不太可能发生的事件是可以检测的。如果光束尺寸太小,缺陷密度就不一定可以检测到,而且零件看起来比实际上更耐损(图 1)。

图 1: 小直径光束不太可能与接收测试的光学元件上的低密度缺陷重叠,这会导致 LIDT 值过于乐观
图 1: 小直径光束不太可能与接收测试的光学元件上的低密度缺陷重叠,这会导致 LIDT 值过于乐观

ISO 21254 中允许 LIDT 测试的最小光束直径为 0.2mm。许多激光光学元件供应商更倾向于使用尽可能小的光束,因为这样更容易获得高能量密度,尽管这可能导致表面“取样不足”。图 2 展示激光损伤如何随光束直径的变化而变化。在所示的场景中,大量缺陷具有 10J 的阈值能量密度,少量缺陷具有 1J 的阈值能量密度。通过这个简化的模型可以洞察现实使用情况,因为激光光学元件通常包含不同类型的缺陷、具有不同密度和个别损伤阈值。将光束直径从 0.2mm 缩放到 10mm将会极大改变损伤概率函数,从而改变测试得出的 LIDT 值。在 0.2mm的光束中,检测到 1J 阈值缺陷的几率很小。因此,在能量密度达到10J 前,损伤概率会保持在较低水平。如果将波束大小从 0.2mm 增加到 2mm,检测到 1J 阈值缺陷的可能性会更大,因此会导致 1J 能量密度下的损伤概率急剧增加。当光束直径缩放到 10mm 时,1J 下的损伤概率会增加到几乎必然的损伤概率。

图 2: 在这个有两种不同缺陷类型的示例中,将光束大小从 0.2mm缩放到 10mm 时,LIDT 下降了 10 倍
图 2: 在这个有两种不同缺陷类型的示例中,将光束大小从 0.2mm缩放到 10mm 时,LIDT 下降了 10 倍

LIDT 随波长和脉冲持续时间的变化而变化,也随光束直径的变化而变化。对于光束直径的细微变化,可以通过将原始 LIDT 值乘以原始直径与新直径之比的平方来计算近似值。1

(1)$$ \text{LIDT} \! \left( \lambda_2 , \tau_2 , ∅_{2} \right) = \text{LIDT} \! \left( \lambda_1 , \tau_1 , ∅_{1} \right) \times \left( \frac{\lambda_2}{\lambda_1} \right) \times \sqrt{\frac{\tau_2}{\tau_1}} \times \left( \frac{∅_1}{∅_2} \right) ^2 $$


参考文献

  1. L. Gallais, J. Capoulade, J.-Y. Natoli and M. Commandré, "Investigation of nanodefect properties in optical coatings by coupling measured and simulated laser damage statistics," J. Appl. Phys, vol. 104, p. 053120, 2008.
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