激光诱导损伤阈值教程

以下简要介绍如何测量激光诱导损伤阈值，以及如何根据损伤阈值规格确定光学元件是否适用于特定应用。在选择光学元件时，理解光学元件的激光诱导损伤阈值(LIDT)是很重要的。光学元件的LIDT很大程度上取决于您所使用的激光类型。连续波(CW)激光一般通过热效应(膜层或基底的吸收)引起损伤。脉冲激光通常在引起热损伤之前就会夺去光学元件晶格结构中的电子。请注意，这里提供的指南是以室温工作和全新光学元件为前提(即，符合划痕-麻点规格、表面无污染等)。由于光学元件表面上的灰尘或其它微粒会降低损伤阈值，因此我们建议保持光学元件表面清洁，且没有杂质污染。关于清洁光学元件的更多信息，请查看我们的光学元件清洁教程。

测试方法

Thorlabs根据ISO/DIS 11254和ISO 21254标准测试LIDT。

首先，我们将一束低功率/能量光束入射待测光学元件。光学元件的10个位置在激光光束下曝光一段时间(连续激光)或曝光若干个脉冲(特定的脉冲重频)。曝光后，用显微镜(放大率~100X)检测是否存在可见的损伤。记录损伤位置的个数以及对应的功率/能量。接下来，增大或者降低入射光的功率/能量，在光学元件的10个新位置进行曝光。重复以上过程，直到观察到损伤为止。这样，损伤阈值就是光学元件在没有损伤时能够承受的最高功率/能量。下面的直方图为一个BB1-E02反射镜的测试结果。

根据测试结果，反射镜的损伤阈值为2.00 J/cm² (532 nm、脉宽10 ns、10 Hz、Ø0.803 mm)。请注意，这些测试是在干净光学元件上进行的，因为杂质和污染物可能会明显减小元件损伤阈值。本测试结果仅代表某一种膜层，Thorlabs的损伤阈值规格会根据膜层不同而有所变化。

连续波和长脉冲激光

当光学元件被连续波(CW)激光损伤时，通常是由于吸收激光能量造成表面融化或者光学膜层(增透膜)损伤[1]。分析LIDT时，脉宽大于1 µs的脉冲可以看作连续激光。

对于脉宽在1 ns和1 µs之间时，可能由于吸收或介电击穿产生激光诱导损伤，因此用户必须同时分析连续波和脉冲LIDT。吸收可能是由光学元件的固有属性或表面不规则引起的；只有满足或超过制造商提供的表面质量规格的光学元件，LIDT值才有效。尽管很多光学元件能够承受高功率连续波激光，但胶合(如消色差双合透镜)或高吸收(如中性密度滤光片)等光学元件的连续波损伤阈值则较低，这是因为胶合层或金属膜的吸收或散射会降低损伤阈值。

高脉冲重复频率(PRF)的脉冲激光和连续光束相似。但是，这很大程度上取决于吸收和热扩散等因素，因此没有可靠的方法确定高PRF激光是否会由于热效应损伤光学元件。对于高PRF的光束，其平均功率和峰值功率都必须与同等CW功率比较。此外，对于高度透明的材料，在PRF增加时，LIDT几乎没有或完全没有下降。

为了使用光学元件规定的连续波损伤阈值，有必要了解以下信息：

1. 您的激光波长
2. 光束直径(1/e²)
3. 光束的近似强度轮廓(比如高斯分布)
4. 光束的线性功率密度(总功率除以1/e²光束直径)

Thorlabs使用W/cm表达CW激光的LIDT值。这样，以线性功率密度给出的LIDT可用于任何光束直径；无需因为光斑大小改变而重新计算，如右图所示。使用下面的公式计算平均线性功率密度。

以上计算公式假设是均匀的光束强度轮廓。现在，您必须考虑光束中的热点或其它非均匀强度轮廓，并粗略计算最大的功率密度。例如，高斯光的最大功率密度通常是均匀光束的两倍(如右下图)。

现在，将最大功率密度与光学元件规定的LIDT比较。如果光学元件的测试波长不等于您的工作波长，损伤阈值必须要适当缩放。根据经验，损伤阈值和波长具有线性关系。所以，当波长减小时，损伤阈值也会减小(比如，LIDT在1310 nm时的损伤阈值为10 W/cm，在655 nm时则减小为5 W/cm)：

这个经验法则只提供大体的趋势，它不是LIDT和波长的定量分析。比如，对于连续光应用，损伤阈值与膜层和基底的吸收成良好的比例关系，而上述吸收不一定与波长成比例。尽管上述过程对于LIDT计算是较好的经验法则，如果工作波长不同于LIDT波长，请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com。如果实际功率密度小于调整后的损伤阈值，那么光学元件应该能适用于您的应用。

请注意，我们在网上标定的损伤阈值与我们的测验结果之间存在一定的预留误差，这样就能适应不同批次产品间的差异。如有需要，我们可以提供单独的测试信息和测试证书。我们将使用类似的光学元件进行损伤分析(不会损坏客户的光学元件)。测试可能需要额外费用或交货时间。请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com获取更多信息。

脉冲激光

如上所述，脉冲激光一般会对光学元件引入与连续波激光不同类型的损伤。脉冲激光通常不会通过热效应使光学元件产生损伤；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。遗憾的是，要将光学元件的LIDT规格与您使用的激光作比较是十分困难的。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。下表中的高亮部分概括了我们规定的LIDT值对应的脉宽。

小于10^-9 s的脉冲与我们规定的LIDT值对比时缺乏可靠性。在这种超短脉冲范围，有各种机制会占主导的损伤机制[2]，比如多光子雪崩电离。相反，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热效应引起的。这意味着连续和脉冲激光的损伤阈值都必须与激光光束进行比较，从而确定光学元件是否适用于您的应用。

将特定脉冲激光下给定的LIDT与您使用的激光作对比时，需要了解以下信息：

1. 您的激光波长
2. 您的光束能量密度(总能量除以1/e²面积)
3. 您的激光脉宽
4. 您的激光脉冲重复频率(prf)
5. 您的激光的光束直径(1/e²)
6. 光束的大致强度分布(如高斯分布)

您的光束能量密度需要以J/cm²计算。右图表明了为何能量密度是短脉冲光源表达LIDT的最佳量度。在这些条件下，以能量密度给出的LIDT与光斑尺寸无关；因此不需要因为光斑大小变化而重新调整LIDT值。计算过程假定光强分布是均匀的。您必须调整能量密度来应对光束中的热点或其他非均匀强度分布，并且粗略计算最大能量密度。例如，高斯光的最大能量密度通常是1/e²光束的两倍。

现在将最大能量密度与光学元件给定的LIDT作比较。如果光学元件测试波长不等于您的工作波长，损伤阈值必须适当缩放[3]。根据经验，损伤阈值和波长比的平方根成比例。所以，当波长减小时，损伤阈值也会减小(比如，在1064 nm时的损伤阈值为1 J/m²，在532 nm时则减小为0.7 J/cm²)：

现在您得到了根据波长调整的能量密度，可在接下来的步骤中使用此能量密度。

光束直径在比较损伤阈值时也是很重要的。虽然LIDT在以J/cm²表达时与光斑大小无关；但是大光束可能照射更多的缺陷，这可能会导致更大的激光损伤阈值的变化[4]。对于这里的数据，使用小于1 mm的光束测量LIDT。当光束尺寸大于5 mm时，LIDT(J/cm²)也将和光束直径有关，因为尺寸较大光束容易暴露更多的缺陷。

现在，必须对脉宽进行补偿。脉宽越长，光学元件能承受越多的能量。对于1 ns至100 ns的脉宽，其关系可以近似为：

使用此公式可以根据您的脉宽计算调整LIDT。如果所使用激光的最大能量密度小于调整后的LIDT最大能量密度，光学元件就适用于您的应用。请注意，此计算仅适用于10^-9 s和10^-7 s之间的脉冲激光。对于10^-7 s和10^-4 s之间的脉冲激光，您同时还需要考察是否满足连续波LIDT。

请注意，我们在网上标定的损伤阈值与我们的测验结果之间存在一定的预留误差，这样就能适应不同批次产品间的差异。如有需要，我们可以提供单独的测试信息和测试证书。请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com获取更多信息。

[1] R. M. Wood, Optics and Laser Tech. 29, 517 (1997).
[2] Roger M. Wood, Laser-Induced Damage of Optical Materials (Institute of Physics Publishing, Philadelphia, PA, 2003).
[3] C. W. Carr et al., Phys. Rev. Lett. 91, 127402 (2003).
[4] N. Bloembergen, Appl. Opt. 12, 661 (1973).

为了介绍如何确定某一给定激光系统是否损伤光学元件，下面给出了激光诱导损伤阈值(LIDT)的许多计算实例。为了方便类似的计算，我们提供一个电子表格计算器，可点击右边的按钮下载。使用计算器时，首先在绿色框中输入光学元件指定的LIDT值以及您激光系统的相关参数。电子表格将计算CW和脉冲系统的线性功率密度以及脉冲系统的能量密度值。使用这些数值根据公认的缩放方法为光学元件计算已经调整、按比例缩放的LIDT值。计算器假定高斯光束轮廓，因此必须对其它光束形状引入校正系数(均匀度等等)。LIDT缩放根据经验确定；精度无法保证。注意，在某些光谱区域，光学元件或膜层对激光的吸收能力可能大大降低LIDT。这些LIDT值对于脉宽小于1 ns的超短脉冲无效。

高斯光束分布的最大光强大约是均匀光束分布的两倍。

CW激光实例
假设一个CW激光系统在1319 nm时输出1/e²直径为10 mm的0.5 W高斯光束。直接用总功率除以光束直径得到光束的平均线性功率密度为0.5 W/cm：

然而，高斯光束的最大功率密度约为均匀光束的最大功率密度的两倍，如右图所示。因此，系统更准确的最大线性功率密度是1 W/cm。

AC127-030-C消色差双合透镜规定的CW LIDT为350 W/cm，在1550 nm测得。CW损伤阈值通常与激光源的波长直接成比例，因此得出调整的LIDT值：

调整的350 W/cm x (1319 nm / 1550 nm) = 298 W/cm的LIDT值显著高于激光系统的最大线性功率密度，因此系统使用这个双合透镜是安全的。

脉冲纳秒激光实例：不同脉宽的缩放
假设某脉冲Nd:YAG激光系统的三倍频输出355 nm、10 Hz、脉宽为2 ns，单脉冲能量为1 J，并且光束直径为1.9 cm(1/e²)的高斯光束。脉冲能量除以光束面积得到每个脉冲的平均能量密度：

如上所述，高斯光束的最大能量密度约为平均能量密度的两倍。因此，光束的最大能量密度为~0.7 J/cm²。

将这个光束能量密度分别对比BB1-E01宽带介质膜反射镜规定的LIDT值1 J/cm²和NB1-K08 Nd:YAG激光线反射镜的LIDT值3.5 J/cm²。这两个LIDT值都在355 nm下测量，使用脉宽10 ns、重频10 Hz的脉冲激光确定。因此，需要对系统的更短脉宽进行调整。如上一个标签中的描述，纳秒脉冲的LIDT值与激光脉宽的平方根成比例：

使用这个调节因子，BB1-E01宽带反射镜的LIDT值变为0.45 J/cm²，Nd:YAG激光线反射镜的LIDT值变为1.6 J/cm²，将它们直接和光束的0.7 J/cm²最大能量密度比较 。宽带反射镜很可能受到激光损伤，但是特殊的激光线反射镜能够用于激光系统。

脉冲纳秒激光实例：不同波长的缩放
假设某脉冲激光系统以2.5 Hz发射10 ns脉冲，每个脉冲在1064 nm的能量为100 mJ，1/e²光束直径为16 mm，我们现在需要用中性密度滤光片进行衰减。对于高斯输出，使用这些规格计算最大能量密度为0.1 J/cm²。

对于355 nm的10 ns脉冲，NDUV10A Ø25 mm、OD 1.0的反射型中性密度滤光片的损伤阈值是0.05 J/cm²，而对于532 nm的10 ns脉冲，类似的NE10A吸收型滤光片的损伤阈值是10 J/cm²。根据上一个标签中的描述，对于纳秒脉冲，光学元件的LIDT值与波长的平方根成比例：

根据这个比例，反射型滤光片调整后的LIDT值为0.08 J/cm²，吸收型滤光片为14 J/cm²。在这种情况下，为了防止光学损伤，吸收型滤光片是最佳选择。

脉冲微秒激光实例
考虑产生1 µs脉冲的激光系统，单脉冲能量为150 µJ，重频为50 kHz，这将导致5%相对高的占空比。系统处于CW与脉冲激光诱导损伤之间，可能通过任何一种机制引起光学元件损伤。因此，CW和脉冲LIDT值必须同时和激光系统的性质进行对比，以确保安全工作。

如果这个较长脉冲激光器发射980 nm、1/e²直径为12.7 mm的的高斯光束，那么激光输出的线性功率密度为5.9 W/cm，单脉冲能量密度为1.2 x 10^-4 J/cm²。将这个值与WPQ10E-980聚合物零级四分之一波片的LIDT值对比，对于810 nm连续波为5 W/cm，对于810 nm的10 ns脉冲为5 J/cm²。与前面一样，光学元件的CW LIDT与激光波长呈线性比例，所以在980 nm时经过调整的CW值为6 W/cm。另一方面，脉冲LIDT与激光波长平方根和脉宽平方根成比例，所以对于1 µs脉冲在980 nm下经过调整的值为55 J/cm² 。光学元件的脉冲LIDT显著大于激光脉冲的能量密度，因此单脉冲不会损伤波片。然而，激光系统的平均线性功率密度较高，和高功率CW光束相似，可能会对光学元件造成热损伤。

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CXY1A平移调整架和SM1透镜套筒安装在30 mm笼式系统中

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Ø1英寸光学元件安装在ST1XY-S XY平移调节架中

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安装有Ø1英寸透镜的LMR1固定式安装座

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安装有Ø2英寸透镜的LM2XY平移安装座

安装高曲率光学元件

Thorlabs的卡环用于将未安装的光学元件固定在透镜套管或光学元件安装座中。这些卡环可通过兼容的扳手固定。对于平面或低曲率的光学元件，我们提供由阳极氧化铝材制造的标准卡环，尺寸范围从Ø5 mm到Ø4英寸，对于高曲率光学元件，我们提供Ø1/2英寸、Ø1英寸和Ø2英寸的特厚卡环。

特厚卡环具有几种特性，有助于安装高曲率光学元件，如非球面透镜、短焦距平凸透镜和聚光镜。如右边视频所示，使用标准卡环固定高曲率透镜时，扳手的导向法兰会碰到透镜的表面，可能划伤光学元件。而且，这种接触会在扳手与卡环之间形成间隙，造成卡环无法拧紧。而特厚卡环能够为扳手提供必要的间隔，既能固定透镜，又不会接触光学元件的表面。