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深度解讀

激光誘導損傷閾值簡介

星之球科技 來源:網易2021-05-08 我要評論(0 )   

    激光誘導損傷(shang) 閾值(laser-induced damage threshold,LIDT)定義(yi) 為(wei) :推測的光學器件損傷(shang) 概率為(wei) 零的最高激光輻射量。LIDT為(wei) 避免光學元件/器件在正常使用時受到損...

  

  激光誘導損傷(shang) 閾值(laser-induced damage threshold,LIDT)定義(yi) 為(wei) :推測的光學器件損傷(shang) 概率為(wei) 零的最高激光輻射量。LIDT為(wei) 避免光學元件/器件在正常使用時受到損傷(shang) 提供參考。實際測量的LIDT數據隻能作為(wei) 同批次產(chan) 品的參考,不能認為(wei) 低於(yu) 此值絕對不會(hui) 發生光學器件損傷(shang) 。樣品的測試點數量、樣品數量和光束直徑都是影響測試結果的重要因素。通常脈衝(chong) 光源以J/cm2為(wei) 單位,連續光源以W/cm2或W/cm(也稱為(wei) 平均線功率密度)為(wei) 單位。

  高功率應用領域常見的強度分布主要包括Gaussian和Top-hat光強度分布,激光光束強度指的是單位麵積的光功率。Top-hat光在光束橫截麵上的光強分布是相對均勻的,而Gaussian光是橫向電場以及輻照度分布近似滿足高斯函數的光束,其強度分布類似高斯函數。Gaussian光束的最大能量密度約為(wei) 具有相同光功率的Top-hat光束的兩(liang) 倍,如圖1所示。

  

  圖1.相同功率Gaussian與(yu) Top-hat光的比較。

  關(guan) 於(yu) 連續波激光光源

  關(guan) 於(yu) CW LIDT需要了解激光器的波長、光束直徑和強度分布(Gaussian或Top-hat)。關(guan) 於(yu) CW LIDT的計算主要有兩(liang) 種:一種為(wei) 單位麵積的光功率(W/cm2),另一種為(wei) 平均線功率密度(W/cm)。

  假設使用一台60 mW, 532 nm 的Nd:YAG激光器,光斑直徑為(wei) 2 mm,則其平均功率密度為(wei) :

  

  由圖1可知,Gaussian光束最大功率密度約為(wei) 均勻光束平均功率密度的兩(liang) 倍,所以其最大平均功率密度約為(wei) :3.82 W/cm2。

  同樣條件下其平均線功率密度為(wei) :

  由圖1可知,Gaussian光束最大功率密度約為(wei) 均勻光束平均功率密度的兩(liang) 倍,所以其最大線功率密度約為(wei) :0.6 W/cm。

  關(guan) 於(yu) 脈衝(chong) 激光光源

  關(guan) 於(yu) 脈衝(chong) 激光光源LIDT需要了解激光器的波長、光束直徑、重複頻率、脈衝(chong) 寬度和強度分布(Gaussian或Top-hat)。脈衝(chong) 激光光源的LIDT一般以J/cm2為(wei) 單位。

  假設使用一台高功率固體(ti) 脈衝(chong) 激光器,其波長1064 nm,單脈衝(chong) 能量為(wei) 1 J,重複頻率50 Hz,光斑直徑為(wei) 2 cm,則其單脈衝(chong) 平均能量密度為(wei) :

  

  由圖1可知,Gaussian光束最大功率密度約為(wei) 均勻光束平均功率密度的兩(liang) 倍,所以其最大單脈衝(chong) 能量密度為(wei) :0.64J/cm2。

  有些情況下需要對功率和能量單位之間進行換算(1W=1J/s),假設高功率固體(ti) 脈衝(chong) 激光器波長1064 nm,平均功率為(wei) 50W,重複頻率50 Hz,光斑直徑為(wei) 2 cm,其單脈衝(chong) 能量為(wei) :

  常見的光學元件損傷(shang) 原因

  光學元件類產(chan) 品種類龐大複雜,對於(yu) LIDT的分析可以把光學元件大致分為(wei) 如下三類:鍍膜類;基片類;膠合類。激光器對光學元件的損傷(shang) 一般是對鍍膜、光學元件基底和膠合光學元件的膠合劑的損傷(shang) 。

  膠合類透鏡CW LIDT較低,例如LBTEK提供的400 nm-700 nm消色差雙膠合透鏡的CW LIDT在1.02 kW/cm(波長532 nm,光斑直徑1.0 mm),而同樣工作波長下的平凸、雙凸透鏡紫外熔融石英透鏡的CW LIDT最高可達2.33 kW/cm(波長532 nm,光斑直徑1.0 mm)。

  高功率應用場景中,光學元件損傷(shang) 的原因往往是具有多樣性的。典型的激光損傷(shang) 光學元件的類型包括:熱損傷(shang) ;介質擊穿;光學元件表麵缺陷局域光場增強損傷(shang) 等。在一般的實驗過程中,除了光學元件本身LIDT不能承受入射光能量外,光學元件表麵潔淨度不夠(灰塵或其他物質附著)也是導致光學元件損傷(shang) 的重要原因。


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