與(yu) 脈衝(chong) 激光係統相比，使用環境對連續波（CW）激光損傷(shang) 閾值的影響更大，因此連續波激光係統用戶需要更加謹慎。連續波激光器的損傷(shang) 閾值通常指定為(wei) 在給定波長下測量的線性功率密度。用戶不應過於(yu) 依賴光學組件的指定CW損傷(shang) 閾值，而不首先考慮許多可能改變該值的參數：激光功率、光束直徑和環境測試條件等。

定義(yi) 與(yu) 差異：

ISO標準將激光誘導損傷(shang) 閾值（LIDT）定義(yi) 為(wei) “入射到光學部件上的最大激光輻射量，其損傷(shang) 的外推概率為(wei) 零”。脈衝(chong) 激光和連續激光的工作方式不同，因此顯示出不同的損傷(shang) 機製。脈衝(chong) LIDT通過單次或多次測試進行測試，而連續LIDT通過將光學器件暴露於(yu) 激光的恒定通量下一定時間進行測試。脈衝(chong) 激光損傷(shang) ，通過納秒到飛秒範圍內(nei) 的曝光時間來測量，通常是由電場或機械應力損傷(shang) 引起的。大於(yu) 100皮秒的脈衝(chong) 持續時間通常導致常規熔化。CW激光損傷(shang) 是由光學器件中的熱誘導應力引起的加熱或機械故障引起的。因此，曝光時間以微秒為(wei) 單位的準連續激光損傷(shang) 是由電場和熱損傷(shang) 的組合引起的。

指定和測試CW LIDT的獨特挑戰

連續波激光損傷(shang) 閾值測試帶來了脈衝(chong) 激光損傷(shang) 測試中沒有的挑戰。CW測試需要考慮的一些主要參數包括曝光時間、光束直徑、結構材料、樣品缺陷和安裝選擇。還應考慮環境條件，尤其是光學器件上的任何氣流。

曝光時間是所考慮的光學器件受到激光功率的時間間隔。CW激光損傷(shang) 測試的暴露時間大於(yu) 1秒，但每個(ge) 測試點通常為(wei) 5秒至1分鍾，或者直到樣品失效。與(yu) 暴露時間相關(guan) 的另一個(ge) 考慮因素是每次測試之間的等待時間。如果樣品沒有足夠的時間進行熱“鬆弛”，則樣品的下一次暴露將比上一次更困難。這在一定程度上與(yu) 脈衝(chong) 激光重複率有關(guan) ，盡管在更長的時間尺度上。這在現實世界中提供了更多的不確定性；用戶將給光學器件多長時間來恢複？這段休息時間可以很好地決(jue) 定光學器件的好壞。

光束將與(yu) 之相互作用的缺陷數量將由選擇用於(yu) 測試的光束直徑決(jue) 定。了解光學器件表麵上或表麵下的任何缺陷都很重要。缺陷可以是表麵下的損傷(shang) ，如裂紋或凹槽，也可以是表麵的缺陷，如塗層的缺陷或光學器件上的汙染物。塗層損壞通常是由於(yu) 表麵上的灰塵或劃痕易於(yu) 吸收造成的。在表麵處足夠的能量吸收可導致塗層的分層。從(cong) 本質上講，光束遇到的缺陷越多，損傷(shang) 閾值就越低。

圖1：不同根本原因導致的激光誘導損傷(shang) 的各種形態。

襯底材料的熱導率和吸收率決(jue) 定了熱量在整個(ge) 光學器件中分布的輪廓。例如，矽和鍺透射光學器件通過紅外（IR）光，但不通過可見光，這導致第一表麵上的吸收。這種第一表麵吸收然後導致光學器件表麵上的溫度升高，這反過來又導致顯著的溫度梯度。溫度梯度的大小可以確定樣品是否會(hui) 受到損壞。因此，在連續激光測試過程中經常使用具有高反射塗層的光學器件，因為(wei) 它們(men) 能夠將一些熱量反射離開光學器件。

樣品的安裝方式是另一個(ge) 需要考慮的重要參數。有時，支架會(hui) 引入機械應變，這會(hui) 增加激光吸收引起的熱應變的影響。樣品是否用膠水安裝也會(hui) 影響熱量在整個(ge) 光學器件中的傳(chuan) 遞方式。此外，安裝選擇引入了通過對流冷卻的可能性，這是空氣流過樣品的結果。散熱器的存在及其吸收來自光學器件的輻射的有效性可以顯著提高樣品的損傷(shang) 閾值。

定標連續波損傷(shang) 閾值:

Slinker等人的一項研究（2019）將CW激光誘導的損傷(shang) 與(yu) 光束中心的光學表麵因吸收而產(chan) 生的溫度上升直接相關(guan) 。對於(yu) 準連續和連續激光係統，熱擴散方程能夠預測和定標LIDT。在對高反射光學器件的損傷(shang) 閾值進行建模時，考慮了兩(liang) 種情況：泛光照明和點照明。

泛光照明被認為(wei) 是薄反射光學器件的大照明區域，其中探測器安裝在散熱器上。相對於(yu) 獨立反射光學器件的厚度，點照明是一個(ge) 較小的照明區域。

如果忽略每個(ge) 表麵的對流和輻射，則光束中心表麵的溫度會(hui) 隨著時間（t）的推移而上升，可以由下式確定：

特征時間：

其中T0是樣品的初始溫度， α是照射波長下的分數吸收率，ϕ是線性功率密度，k是基材的導熱係數，ρ是樣品密度，r是樣品的半徑，cp是比熱容.

損傷(shang) 閾值告訴我們(men) 光學器件在一定量的激光輻射下發生故障的可能性。對於(yu) 連續波激光器，該閾值可以被視為(wei) 線性功率密度，，其已被證明隨著曝光時間的增加而減少。在忽略環境因素的情況下，線性功率密度作為(wei) 曝光時間函數的最小值可以通過設置等於(yu) 失效或臨(lin) 界溫度Tc，並求解φ來求解：

在這些條件下，損壞樣品所需的激光功率是恒定的線性功率密度。此外，ISO標準指示按線性功率密度而非輻照度進行定標。或者，考慮到環境測試條件，對於(yu) 獨立反射光學器件，表麵溫度隨時間上升：

特征時間：

是樣品的初始溫度，是樣品周圍空氣的溫度，L是樣品厚度，I是輻照度，α是照射波長下的分數吸收率，t是曝光時間。在上述兩(liang) 個(ge) 方程中，是有效對流係數——對流和輻射貢獻的總和。考慮到樣品的兩(liang) 個(ge) 表麵，該係數加倍。

仍然要記住環境條件，在光學器件上有顯著的氣流和來自光學器件表麵的輻射的情況下，損傷(shang) 閾值輻照度可以通過以下公式計算：

該損傷(shang) 閾值輻照度降低到最小值：

圖2：在兩(liang) 種測試條件下，輻照度隨暴露時間的增加而定標——最終顯示了測試過程中空氣流對樣品的影響。

圖3：暴露於(yu) 準連續和連續激光的樣品的損傷(shang) 閾值隨著光束直徑和暴露時間的增加而降低。

結論：

對於(yu) 所考慮的所有光束直徑，暴露於(yu) 準連續和連續激光的樣品的損傷(shang) 閾值隨著光束直徑和暴露時間的增加而降低。光束越大，就越有可能在光學器件上遇到多個(ge) 缺陷，從(cong) 而降低損傷(shang) 閾值。熱量在樣品中分散的方式取決(jue) 於(yu) 所用基材的尺寸和熱容。在樣品上方有高速氣流的條件下，光學器件表麵的溫度大大降低，因此，損傷(shang) 閾值遠高於(yu) 未冷卻的光學器件。

為(wei) 連續激光係統指定LIDT最困難的部分是在可重複的條件下測試樣品。各種應用需要不同的激光功率、光束直徑和其他有用的參數，並不是每個(ge) 用戶都能重現測試光學器件的環境。安裝、等待時間、環境條件和其他幾個(ge) 參數可以改變光學器件的損傷(shang) 閾值。本文說明中提到的各種測試條件推動了指定CW LIDT的挑戰。

References

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