激光损伤阈值测试及计算方法
作者：admin 发布时间：2021-02-19 15:44:57点击：
随着高能激光的快速发展，光学窗口、各类保护膜、增透膜及基底材料的抗激光损伤能力的评判就显得尤为重要。在短脉冲激光下，光学元件经受光辐射的能力的参数就叫做激光损伤阈值（Laser-induced Damage Threshold, LIDT），它代表了光学元件可以承受的最大能量密度（脉冲光源，单位J/cm2）或最大光学功率密度（连续光源，单位W/cm2）。只有精确的进行损伤阈值LIDT判定，才能进行横向比较及工艺优化。
一般情况下，激光辐照对光学元件的损伤主要有四类：（1）极高峰值功率直接引起的材料化学键损坏；（2）短脉冲激光辐射引起的介质击穿；（3）光吸收引起的热效应；（4）激光热冲击在材料表面产生的倏逝波及反向冲击波。不同类型激光源对应的激光损伤阈值有相应的特点及计算方法。
一、连续激光
连续激光对光学元件的损伤主要是由热反应引起的，而激光损伤阈值则用最高的可承受激光密度功率表示。对于连续激光，损伤阈值由功率和光斑面积的比值表示。
例如，计算了波长为1064nm、光束直径为0.8mm的50mW ND:YAG激光器的功率密度。
（1）计算光斑面积：光斑面积=πr2=3.14×(0.4)2=5.024×10-3cm2。
（2）计算单位面积的激光功率：功率密度=激光功率/光斑面积=50×10-3W/5.024×10-3cm2=9.95W/cm2。
将其与光学元件的损伤阈值进行比较，以确定光学元件是否合适。
这里值得一提的是：（1）对于高斯光束，损伤阈值需要是2倍的功率密度以上才是安全的；（2）光学元件的激光损伤阈值与波长成正比，即波长越大，阈值越大，例如532nm的损伤阈值是1064nm损伤阈值的一半。
二、脉冲激光
在脉冲激光作用下，光学元件的损伤阈值通常用可承受的最大脉冲能量密度来表示。对于微秒（μs）和纳秒（ns）级别的脉冲激光器，损伤阈值LIDT用能量和光斑面积的比值表示。对于脉冲，损伤阈值同脉冲时间有关系，损伤阈值的计算公式如下：LIDT(y)=LIDT(x)×(y/x)1/2。
其中，LIDT(x)和LIDT(y)分别为对应脉冲宽度（时间）下的激光损伤阈值。
对于脉宽在微秒（μs）到纳秒（ns）之间的脉冲激光器，在相同激光能量下，损伤阈值与脉冲宽度的平方根在时域上成正比。例如，在1μs脉冲下，光学元件的损伤阈值是在10ns脉冲下的10倍。计算过程如下：
如果在10ns脉冲下，光学元件的损伤阈值为2J/cm2，则在相同波长的1μs激光脉冲下，光学元件的损伤阈值为2J/cm2×[10-6sec/(10*10-9sec)]1/2 =20J/cm2。
三、超快激光
对于时域宽度为皮秒和飞秒的超快激光器，激光脉冲具有很高的峰值功率和电场强度，能破坏辐照材料的化学键，导致介质崩解。超快激光损伤阈值不能由纳秒脉冲的损伤阈值来计算，损伤机理与脉冲宽度密切相关，难以表征。
