在选择光学元件时，理解光学元件的激光诱导损伤阈值(Laser-Induced Damage Threshold，LIDT)非常重要。激光诱导损伤阈值是指光学元件在没有损伤时能够承受的最大功率或者能量。光学元件的激光诱导损伤阈值很大程度上取决于使用的激光类型。

激光类型分为两种，分别为连续波激光(Continuous Wave Laser)和脉冲激光(Pulsed Laser)。连续波激光一般通过光学镀膜或者基底的吸收引起热效应而造成损伤，而脉冲激光一般在引起热损伤之前就会夺去光学元件晶格结构中的电子。

 

一、连续波激光

 

连续波激光损伤光学元件通常是由于吸收激光能量造成表面融化或者光学膜层损伤。

 

对于连续波损伤阈值，需要知道以下参数：

• 激光波长
• 光束直径($1/e^2$)
• 光束的近似强度轮廓(比如高斯分布)
• 光束的线性功率密度(总功率除以$1/e^2$光束直径)

连续波激光损伤阈值通常用线功率密度单位($W/cm$)表示，此功率密度为照射期间的平均功率。

 

假设为均匀的光束强度轮廓，平均线性功率密度(Linear Power Density)为

${\Phi }_{lpd}=\frac{P}{R}$

对于高斯光束，它的最大功率密度通常是均匀光束(平顶光束，Flat Top Beam，光斑内大部分区域峰值强度或者能量密度几乎相同的光束)的两倍，如图1所示。

 

图1 高斯光束与平顶光束

 

如果光学元件的测试波长不等于工作波长，损伤阈值需要适当缩放。根据经验，损伤阈值与波长呈线性关系。

$LID{T}_2=LID{T}_1\times \frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_1}$

 

二、脉冲激光

 

脉冲激光一般不会通过热效应对光学元件造成损伤，而是通过产生能在材料中诱导介电击穿的强电场对其造成损坏。脉冲激光损坏光学元件有多种机制，并且损坏程度取决于激光脉宽。

 

脉宽(s)	$t＜{10}^{-9}$	${10}^{-9}＜t＜{10}^{-7}$	${10}^{-7}＜t＜{10}^{-4}$	$t＞{10}^{-4}$
损伤机制	雪崩电离	电介质击穿	电介质击穿或者热效应	热效应
损伤规格	/	脉冲	脉冲和连续	连续

 

小于${10}^{-9}$ s的脉冲与规定的LIDT值对比时缺乏可靠性，因为超短脉冲具有各种占主导的损伤机制，比如多光子雪崩电离。${10}^{-7}$s到${10}^{-4}$s之间的脉冲对光学元件的损伤是由介电击穿或者热效应引起的，需要将连续和脉冲激光的损伤阈值都与激光光束进行比较。

 

对于特定脉冲激光损伤阈值，需要知道以下参数：

• 激光波长
• 光束直径($1/e^2$)
• 光束的近似强度轮廓(比如高斯分布)
• 激光脉宽
• 激光脉冲重复频率
• 光束能量密度(总能量除以$1/e^2$面积)

脉冲激光损伤阈值通常用能量密度单位($J/c{m}^2$)表示。

假设为均匀的光束强度轮廓，平均能量密度为

${\Phi }_e=\frac{E}{S}$

对于高斯光束，它的最大能量密度通常是均匀光束(平顶光束，Flat-Top Beam，光斑内大部分区域峰值强度或者能量密度几乎相同的光束)的两倍。

 

如果光学元件的测试波长不等于工作波长，损伤阈值需要适当缩放。根据经验，损伤阈值与波长的平方根成比例。

$LID{T}_2=LID{T}_1\times \sqrt{\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_1}}$

 

脉宽越长，光学元件将承受越多的能量。根据经验，损伤阈值与脉宽的平方根成比例。

$LID{T}_2=LID{T}_1\times \sqrt{\frac{t_2}{t_1}}$

 

三、损伤机制

 

脉冲持续时间对导致激光损伤的机制有着很大的影响，如图2所示。

 

图2 不同时间尺度的激光诱导损伤机制

 

1、多光子吸收(Multiphoton Absorption)

 

两个或者多个能量低于材料带隙能量的光子同时被吸收，使得吸收不再与强度成线性比例的吸收过程。

 

2、多光子电离(Multiphoton Ionization)

 

吸收两个或者多个光子，其组合能量导致材料中原子光电离的过程。

 

3、隧穿电离(Tunnel Ionization)

 

超短激光脉冲产生的强电场允许电子通过“隧道”穿过保持电子与原子结合的势垒，使它们得以逃脱的过程。

 

4、雪崩电离(Avalanche Ionization)

 

超短激光脉冲产生的强电场使得电子加速并与其他原子碰撞的过程。这会使得它们电离并释放更多的电子，这些电子继续电离其他原子。

 

5、载子间散射(Carrier-Carrier Scattering)

 

被电场加速的电子与其他电子发生碰撞，使得它们散射并与更多电子发生碰撞的过程。

 

6、载子-声子散射(Carrier-Phonon Scattering)

 

被电场加速的电子会激发声子或者材料晶格中的振动的过程。

 

7、介质击穿(Dielectric Breakdown)

 

由于施加的电压超过材料击穿电压而使电流流经绝缘体的过程。

 

8、热效应(Thermal Effects)

 

由激光脉冲能量引起的材料变形和振动而导致的热扩散。