與脈沖激光系統(tǒng)相比，使用環(huán)境對(duì)連續(xù)波（CW）激光損傷閾值的影響更大，因此連續(xù)波激光系統(tǒng)用戶(hù)需要更加謹(jǐn)慎。連續(xù)波激光器的損傷閾值通常指定為在給定波長(zhǎng)下測(cè)量的線性功率密度。用戶(hù)不應(yīng)過(guò)于依賴(lài)光學(xué)組件的指定CW損傷閾值，而不首先考慮許多可能改變?cè)撝档膮?shù)：激光功率、光束直徑和環(huán)境測(cè)試條件等。

定義與差異：

ISO標(biāo)準(zhǔn)將激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT）定義為“入射到光學(xué)部件上的最大激光輻射量，其損傷的外推概率為零”。脈沖激光和連續(xù)激光的工作方式不同，因此顯示出不同的損傷機(jī)制。脈沖LIDT通過(guò)單次或多次測(cè)試進(jìn)行測(cè)試，而連續(xù)LIDT通過(guò)將光學(xué)器件暴露于激光的恒定通量下一定時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。脈沖激光損傷，通過(guò)納秒到飛秒范圍內(nèi)的曝光時(shí)間來(lái)測(cè)量，通常是由電場(chǎng)或機(jī)械應(yīng)力損傷引起的。大于100皮秒的脈沖持續(xù)時(shí)間通常導(dǎo)致常規(guī)熔化。CW激光損傷是由光學(xué)器件中的熱誘導(dǎo)應(yīng)力引起的加熱或機(jī)械故障引起的。因此，曝光時(shí)間以微秒為單位的準(zhǔn)連續(xù)激光損傷是由電場(chǎng)和熱損傷的組合引起的。

指定和測(cè)試CW LIDT的獨(dú)特挑戰(zhàn)

連續(xù)波激光損傷閾值測(cè)試帶來(lái)了脈沖激光損傷測(cè)試中沒(méi)有的挑戰(zhàn)。CW測(cè)試需要考慮的一些主要參數(shù)包括曝光時(shí)間、光束直徑、結(jié)構(gòu)材料、樣品缺陷和安裝選擇。還應(yīng)考慮環(huán)境條件，尤其是光學(xué)器件上的任何氣流。

曝光時(shí)間是所考慮的光學(xué)器件受到激光功率的時(shí)間間隔。CW激光損傷測(cè)試的暴露時(shí)間大于1秒，但每個(gè)測(cè)試點(diǎn)通常為5秒至1分鐘，或者直到樣品失效。與暴露時(shí)間相關(guān)的另一個(gè)考慮因素是每次測(cè)試之間的等待時(shí)間。如果樣品沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行熱“松弛”，則樣品的下一次暴露將比上一次更困難。這在一定程度上與脈沖激光重復(fù)率有關(guān)，盡管在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上。這在現(xiàn)實(shí)世界中提供了更多的不確定性；用戶(hù)將給光學(xué)器件多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)恢復(fù)？這段休息時(shí)間可以很好地決定光學(xué)器件的好壞。

光束將與之相互作用的缺陷數(shù)量將由選擇用于測(cè)試的光束直徑?jīng)Q定。了解光學(xué)器件表面上或表面下的任何缺陷都很重要。缺陷可以是表面下的損傷，如裂紋或凹槽，也可以是表面的缺陷，如涂層的缺陷或光學(xué)器件上的污染物。涂層損壞通常是由于表面上的灰塵或劃痕易于吸收造成的。在表面處足夠的能量吸收可導(dǎo)致涂層的分層。從本質(zhì)上講，光束遇到的缺陷越多，損傷閾值就越低。

圖1：不同根本原因?qū)е碌募す庹T導(dǎo)損傷的各種形態(tài)。

襯底材料的熱導(dǎo)率和吸收率決定了熱量在整個(gè)光學(xué)器件中分布的輪廓。例如，硅和鍺透射光學(xué)器件通過(guò)紅外（IR）光，但不通過(guò)可見(jiàn)光，這導(dǎo)致第一表面上的吸收。這種第一表面吸收然后導(dǎo)致光學(xué)器件表面上的溫度升高，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致顯著的溫度梯度。溫度梯度的大小可以確定樣品是否會(huì)受到損壞。因此，在連續(xù)激光測(cè)試過(guò)程中經(jīng)常使用具有高反射涂層的光學(xué)器件，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)⒁恍崃糠瓷潆x開(kāi)光學(xué)器件。

樣品的安裝方式是另一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)。有時(shí)，支架會(huì)引入機(jī)械應(yīng)變，這會(huì)增加激光吸收引起的熱應(yīng)變的影響。樣品是否用膠水安裝也會(huì)影響熱量在整個(gè)光學(xué)器件中的傳遞方式。此外，安裝選擇引入了通過(guò)對(duì)流冷卻的可能性，這是空氣流過(guò)樣品的結(jié)果。散熱器的存在及其吸收來(lái)自光學(xué)器件的輻射的有效性可以顯著提高樣品的損傷閾值。

定標(biāo)連續(xù)波損傷閾值:

Slinker等人的一項(xiàng)研究（2019）將CW激光誘導(dǎo)的損傷與光束中心的光學(xué)表面因吸收而產(chǎn)生的溫度上升直接相關(guān)。對(duì)于準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)激光系統(tǒng)，熱擴(kuò)散方程能夠預(yù)測(cè)和定標(biāo)LIDT。在對(duì)高反射光學(xué)器件的損傷閾值進(jìn)行建模時(shí)，考慮了兩種情況：泛光照明和點(diǎn)照明。

泛光照明被認(rèn)為是薄反射光學(xué)器件的大照明區(qū)域，其中探測(cè)器安裝在散熱器上。相對(duì)于獨(dú)立反射光學(xué)器件的厚度，點(diǎn)照明是一個(gè)較小的照明區(qū)域。

如果忽略每個(gè)表面的對(duì)流和輻射，則光束中心表面的溫度會(huì)隨著時(shí)間（t）的推移而上升，可以由下式確定：

特征時(shí)間：

其中T0是樣品的初始溫度， α是照射波長(zhǎng)下的分?jǐn)?shù)吸收率，?是線性功率密度，k是基材的導(dǎo)熱系數(shù)，ρ是樣品密度，r是樣品的半徑，cp是比熱容.

損傷閾值告訴我們光學(xué)器件在一定量的激光輻射下發(fā)生故障的可能性。對(duì)于連續(xù)波激光器，該閾值可以被視為線性功率密度，，其已被證明隨著曝光時(shí)間的增加而減少。在忽略環(huán)境因素的情況下，線性功率密度作為曝光時(shí)間函數(shù)的最小值可以通過(guò)設(shè)置等于失效或臨界溫度Tc，并求解φ來(lái)求解：

在這些條件下，損壞樣品所需的激光功率是恒定的線性功率密度。此外，ISO標(biāo)準(zhǔn)指示按線性功率密度而非輻照度進(jìn)行定標(biāo)。或者，考慮到環(huán)境測(cè)試條件，對(duì)于獨(dú)立反射光學(xué)器件，表面溫度隨時(shí)間上升：

特征時(shí)間：

是樣品的初始溫度，是樣品周?chē)諝獾臏囟?，L是樣品厚度，I是輻照度，α是照射波長(zhǎng)下的分?jǐn)?shù)吸收率，t是曝光時(shí)間。在上述兩個(gè)方程中，是有效對(duì)流系數(shù)——對(duì)流和輻射貢獻(xiàn)的總和?？紤]到樣品的兩個(gè)表面，該系數(shù)加倍。

仍然要記住環(huán)境條件，在光學(xué)器件上有顯著的氣流和來(lái)自光學(xué)器件表面的輻射的情況下，損傷閾值輻照度可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

該損傷閾值輻照度降低到最小值：

圖2：在兩種測(cè)試條件下，輻照度隨暴露時(shí)間的增加而定標(biāo)——最終顯示了測(cè)試過(guò)程中空氣流對(duì)樣品的影響。

圖3：暴露于準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)激光的樣品的損傷閾值隨著光束直徑和暴露時(shí)間的增加而降低。

結(jié)論：

對(duì)于所考慮的所有光束直徑，暴露于準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)激光的樣品的損傷閾值隨著光束直徑和暴露時(shí)間的增加而降低。光束越大，就越有可能在光學(xué)器件上遇到多個(gè)缺陷，從而降低損傷閾值。熱量在樣品中分散的方式取決于所用基材的尺寸和熱容。在樣品上方有高速氣流的條件下，光學(xué)器件表面的溫度大大降低，因此，損傷閾值遠(yuǎn)高于未冷卻的光學(xué)器件。

為連續(xù)激光系統(tǒng)指定LIDT最困難的部分是在可重復(fù)的條件下測(cè)試樣品。各種應(yīng)用需要不同的激光功率、光束直徑和其他有用的參數(shù)，并不是每個(gè)用戶(hù)都能重現(xiàn)測(cè)試光學(xué)器件的環(huán)境。安裝、等待時(shí)間、環(huán)境條件和其他幾個(gè)參數(shù)可以改變光學(xué)器件的損傷閾值。本文說(shuō)明中提到的各種測(cè)試條件推動(dòng)了指定CW LIDT的挑戰(zhàn)。

References

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