理解激光誘導(dǎo)損傷閾值
原創(chuàng)lidtthorlabs索雷博
激光損傷概述
激光損傷是指光學(xué)元件的性質(zhì)因足夠強(qiáng)激光而導(dǎo)致的任何不可逆變化，其范圍可以從膜層上的斑痕到基底的熔化和開(kāi)裂。下面兩圖展示了激光損傷的一些形貌：左邊是發(fā)生在薄膜上直徑約為300 μm的十個(gè)損傷點(diǎn)，右邊的損傷從薄膜傳到了基底上，其形貌酷似人的側(cè)影；雖然很酷但不是我們想看到的。
激光損傷可能改變光學(xué)元件的反射和透射性質(zhì)、導(dǎo)致更高的吸收和散射、或者使波前和光斑發(fā)生畸變。因此，任何設(shè)計(jì)或使用高功率激光的人都應(yīng)該注意激光損傷的風(fēng)險(xiǎn)和影響，設(shè)法避免或減輕可能的損傷問(wèn)題。一方面是避免光學(xué)系統(tǒng)故障和不必要的元件損傷，另一方面有些薄膜或光學(xué)材料還會(huì)危害健康。
激光損傷的影響因素有很多，比如光學(xué)基底、鍍膜方法和材料、激光參數(shù)(波長(zhǎng)、脈寬、光束直徑或重頻)，但絕不僅限于這些。某些因素可能根據(jù)比例換算，因?yàn)榧す鈸p傷只能在有限的使用條件下完成。
激光損傷范圍：納秒、連續(xù)和超快
首先要注意，測(cè)量結(jié)果不能在不同的范圍之間縮放(scaling)。下面對(duì)比了納秒激光和連續(xù)激光的損傷效果。納秒損傷是較小和較均勻的圓形斑點(diǎn)，而連續(xù)激光損傷則是很大的燒傷，已經(jīng)熔入了基底。
thorlabs激光損傷測(cè)試約有2/3處于納秒范圍，使用10 ns脈沖和10 hz重頻。一般地，這里的損傷閾值由缺陷決定，就是薄膜或基底中的雜質(zhì)和不均勻性。如果膜層不是特別致密，這些雜質(zhì)和不均勻性有時(shí)可以在低功率水平下消除而不損傷薄膜。因此，納秒范圍最hao的測(cè)試結(jié)果一般來(lái)自電子束蒸鍍膜。這種膜既足夠致密地提供高均勻性和可重復(fù)性，又不如濺射膜致密，所以能從膜層中把雜質(zhì)打出來(lái)。
納秒損傷結(jié)果用j/cm2表示，可以根據(jù)波長(zhǎng)、脈寬和重頻進(jìn)行縮放。對(duì)于較大的光斑，至少要在100到200 μm，測(cè)試結(jié)果受光斑大小的影響較小。對(duì)于約從50 ns到100 ps的脈沖，損傷閾值近似與脈寬平方根成正比。但如果測(cè)試脈寬和使用脈寬相差一個(gè)量級(jí)，那您就要注意縮放的有效性。
thorlabs也做了很多連續(xù)激光損傷測(cè)試，結(jié)果一般由吸收決定。吸收可能和雜質(zhì)有關(guān)，也可能是材料固有的，所以連續(xù)激光損傷在低吸收材料中的問(wèn)題更小。thorlabs連續(xù)測(cè)試結(jié)果以線性功率密度單位w/cm表示。對(duì)于khz及以上的高重頻激光，我們可以考慮將連續(xù)激光損傷閾值和平均功率進(jìn)行比較。
對(duì)于皮秒和飛秒超快激光損傷測(cè)試，我們會(huì)看到非常細(xì)微的損傷點(diǎn)。這是因?yàn)槊}沖越短，進(jìn)入基底的熱擴(kuò)散時(shí)間越少，所以這是一個(gè)純消融的過(guò)程。超快損傷閾值也用j/cm2表示，結(jié)果受缺陷的影響較小，更大的影響來(lái)自薄膜的固有性質(zhì)。我們希望薄膜盡可能像塊體材料，因此濺射膜能提供更好的結(jié)果。另外，超快損傷閾值一般有更高的確定性。
飛秒激光損傷示例
下圖展示了不同時(shí)間尺度的激光損傷機(jī)制。從最快的電子光致激發(fā)，經(jīng)過(guò)多光子電離、雪崩電離、電子-聲子碰撞、缺陷產(chǎn)生和消融，最后是熱效應(yīng)。
光學(xué)元件測(cè)試示例
thorlabs測(cè)試了很多標(biāo)準(zhǔn)和定制光學(xué)元件的損傷閾值，波長(zhǎng)范圍從nd:yag四倍頻的紫外266 nm到co2激光的10.6 μm，包括各種脈寬和重頻。這些測(cè)試能確保產(chǎn)品線的一致性。我們測(cè)試了很多新產(chǎn)品，努力給出現(xiàn)成的損傷閾值答案。我們也能按客戶要求測(cè)試，滿足單個(gè)或oem大批量需求。雖然我們無(wú)法測(cè)試所有銷售的產(chǎn)品，但是很多標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品都有可供參考的測(cè)試數(shù)據(jù)。
下面是三個(gè)測(cè)試過(guò)的樣品。第一個(gè)分束鏡的損傷來(lái)自膠粘斜面而不是四個(gè)出射面上。這是因?yàn)楹芏喙鈱W(xué)膠沒(méi)有增透膜所能承受的功率高，所以那個(gè)膠粘面一般是損傷閾值最di的面，而我們要測(cè)的是最可能失效的部分。第二個(gè)波片(屬于相對(duì)高損傷閾值的光學(xué)元件)有一豎排損傷點(diǎn)。第三個(gè)樣品的損傷出現(xiàn)在磨砂背面，不過(guò)激光是從前面入射的，而且前面也有損傷但這里看不到。
損傷閾值的影響因素
一個(gè)重要影響因素是表面光潔度。熔融石英是很多vis-nir應(yīng)用的選擇材料，對(duì)某些應(yīng)用還提高無(wú)羥基的版本，消除近紅外和通信波段的吸收帶。熔融石英的優(yōu)勢(shì)是相對(duì)偏便宜而且相對(duì)大塊，很容易拋光至高質(zhì)量表面，提供低表面粗糙度。
毀滅性激光損傷示例
劃痕麻點(diǎn)值越小越好，我們希望表面沒(méi)有缺陷并且不要嵌入拋光劑。就激光損傷而言，有些缺陷比其它的更壞，比如具有45度底角的缺陷就特別是個(gè)問(wèn)題，而通光孔徑外圍的輕微刮傷則可能不是什么問(wèn)題。
其次是在鍍膜前的表面準(zhǔn)備，基底要經(jīng)過(guò)拋光和清潔后才能放進(jìn)鍍膜腔內(nèi)。鍍膜的考慮因素包括設(shè)計(jì)、材料和方法。
電場(chǎng)強(qiáng)度常常是被忽視的因素，但通過(guò)控制電場(chǎng)強(qiáng)度能顯著改變光學(xué)元件的激光誘導(dǎo)損傷閾值。當(dāng)電場(chǎng)波峰處于兩種材料的交界面或者高折射膜層中時(shí)，這樣一般都有負(fù)面影響。當(dāng)波峰處于低折射膜層中時(shí)，損傷閾值可能有一個(gè)量級(jí)的提升。
選擇具有高損傷閾值的鍍膜材料。比如，以nb2o5作為高折射材料可能得到很好的薄膜，但一般沒(méi)有高損傷閾值性。我們通常以石英作為低折射材料，從下圖中選一種高折射材料。激光損傷閾值和帶隙有一定的比例關(guān)系，因此hfo2一般優(yōu)于ta2o5、tio2或nb2o5。從圖中可以看出，一般趨勢(shì)是折射率越高，帶隙越低。我們希望膜層折射率差越大越好，但這就降低了損傷閾值。所以鍍膜設(shè)計(jì)是一個(gè)平衡取舍的過(guò)程。
不同的鍍膜方法也會(huì)影響損傷閾值。納秒范圍一般使用電子束沉積膜，皮秒和飛秒范圍一般使用濺射膜。最后，元件從鍍膜到用在光學(xué)系統(tǒng)中都要保持清潔。
測(cè)試方法
大部分方法受iso 21254標(biāo)準(zhǔn)管控。對(duì)于1-on-1測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)打一次激光，這樣一般會(huì)產(chǎn)生最高的數(shù)值。這個(gè)方法簡(jiǎn)單但可能不是最hao的方法。對(duì)于s-on-1測(cè)試，在每個(gè)點(diǎn)上打恒定次數(shù)的激光，如果沒(méi)有損傷就選更多的點(diǎn)，以更高的通量或功率水平重復(fù)順序。這樣一般會(huì)產(chǎn)生更低的結(jié)果，但更符合用戶的使用方式。iso標(biāo)準(zhǔn)還包括損傷證明，即某個(gè)零件能否承受一定水平的功率或能量。這是一種pass/fail測(cè)試，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。
另外，有些測(cè)試方法并不受iso標(biāo)準(zhǔn)管控，包括r-on-1測(cè)試和逐行掃描測(cè)試。激光損傷是一個(gè)持續(xù)的研究，而我們與很多研究團(tuán)隊(duì)都保持了良好的合作關(guān)系。下圖展示了典型的激光損傷測(cè)試裝置，包括激光系統(tǒng)、可調(diào)衰減器、波片、激光聚焦系統(tǒng)、光束診斷單元、樣品室和損傷探測(cè)器。
確定損傷和損傷閾值
確定損傷和損傷閾值如何判斷零件是否受損傷呢？下圖中出現(xiàn)明顯的裂痕(原因是熱膨脹)肯定是損傷的，但不是所有損傷都這么容易探測(cè)。
在激光損傷測(cè)試過(guò)程中，一種方式是查看表面上的可見(jiàn)變化，比如顏色變化、變形或灼燒。有些損傷可能是良性的，如果光學(xué)元件仍能提高所需的性能，您就無(wú)需過(guò)于在意。第二，有些零件的檢查要用到nomarski-dic顯微鏡，提高對(duì)比度和放大率。第三是看表面散射，受損傷的光學(xué)元件將有明顯更高的散射。第四是看等離子火花，不過(guò)把粒子打出來(lái)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生火花，但如果光學(xué)元件性能仍然完好，您也許能繼續(xù)使用。最后是災(zāi)難性失效，比如聽(tīng)到開(kāi)裂。
在使用激光系統(tǒng)的過(guò)程，如果您看到性能降低，比如原本很好的高斯光束忽然有點(diǎn)變形或者功率明顯降低，這時(shí)就可能出現(xiàn)了損傷問(wèn)題。
在確定損傷閾值時(shí)，首先找到零損傷和百fen之bai損傷的功率水平，然后損傷概率處于中間的功率水平，通過(guò)中間的損傷概率點(diǎn)畫(huà)一條趨勢(shì)線，它x軸的交點(diǎn)一般被看作損傷閾值。有時(shí)為了安全起見(jiàn)，我們還會(huì)乘上一個(gè)比例系數(shù)。
紅色趨勢(shì)線與x軸交點(diǎn)為損傷閾值
關(guān)于損傷測(cè)試的注意事項(xiàng)：
l首先激光損傷是統(tǒng)計(jì)結(jié)果而不是絕對(duì)測(cè)量結(jié)果。因此，即使是等于或小于損傷閾值時(shí)您有時(shí)也會(huì)看到元件受到損傷。
l1-on-1測(cè)試結(jié)果實(shí)際上可能是無(wú)法重復(fù)的，因?yàn)橹淮蛞淮渭す饪赡艿贸龈邤?shù)值，但大部分光學(xué)元件都不是這樣使用的。
l重復(fù)測(cè)試可能起到調(diào)節(jié)作用，緩慢提高功率可能消除一些缺陷點(diǎn)。
l損傷測(cè)試是一種破壞性測(cè)試，所以您不能測(cè)試要用的產(chǎn)品，只能測(cè)試等同的樣品，比如同一批鍍膜和同樣基底的樣品。
l損傷測(cè)試要盡可能在使用條件下進(jìn)行。比如，如果您要在真空中搭建系統(tǒng)，那么您最好在真空中測(cè)試。
損傷閾值能否通過(guò)理論計(jì)算得到？比如已知膜層和基底，能否將某些數(shù)值代入某個(gè)公式算出損傷閾值？答案是可以，但結(jié)果可能比一般的測(cè)試值至少高一個(gè)量級(jí)。因?yàn)檫@些計(jì)算根據(jù)的是熔點(diǎn)或高到使基底失效的應(yīng)變量。而且，您很難找到適合鍍膜的參數(shù)。因此，您并不能真正進(jìn)行理論計(jì)算。
縮放損傷閾值的注意事項(xiàng)
究竟能不能縮放？如果使用波長(zhǎng)和測(cè)試波長(zhǎng)略有不同，能否按比例縮放或直接用那個(gè)測(cè)試數(shù)值？
如果使用波長(zhǎng)和測(cè)試波長(zhǎng)相差幾個(gè)百分點(diǎn)，而且脈寬和重頻也比較接近，那您就可以采用縮放公式。但如果某個(gè)范圍內(nèi)的吸收發(fā)生顯著變化，或者材料性質(zhì)發(fā)生顯著變化，那就不能縮放了。
從1064 nm到1030 nm縮放應(yīng)該是可行的，因?yàn)榇蟛糠殖Ｓ貌牧显趦蓚€(gè)波長(zhǎng)帶沒(méi)有高吸收。不過(guò)從1064到266則不行。另外，從短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)縮放可能低估損傷閾值。
至于脈寬的縮放呢？
這和材料是否吸收有關(guān)。透射材料一般可按脈寬平方根比例縮放，有些文獻(xiàn)還采用從0.35到0.45之間的較小指數(shù)?？s放公式在100 ps到50 ns范圍是有效的，如果相差超過(guò)一個(gè)量級(jí)就不要做縮放了。
重頻對(duì)非吸收材料的影響應(yīng)該極小，對(duì)于吸收材料可以看連續(xù)損傷閾值和平均功率。某些吸收材料的損傷閾值和重頻成對(duì)數(shù)關(guān)系。
因?yàn)橥咛氐扔诮苟棵?，那么脈沖和連續(xù)損傷閾值能互相轉(zhuǎn)換嗎？
雖然瓦特等于焦耳每秒，但您不能那樣轉(zhuǎn)換，因?yàn)樽饔脵C(jī)制不同，一邊是介電擊穿和各種電離效應(yīng)，一邊只是熱效應(yīng)。
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