激光损伤阈值
在光学应用和实验中,选择光学元件的一个重要因素就是能否承受光辐射所带来的影响,这在高功率激光应用中是特别重要的。光辐射对光学元件的损伤主要有三类:一极高峰值功率直接引起的材料化学键损坏;二是短脉冲激光辐射引起的介质击穿;三是光吸收引起的热效应。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,它代表了光学元件可以承受的最大能量密度(脉冲光源)或最大光学功率密度(连续光源),单位通常用W/cm2和J或cm~2来表示。
本文将讨论不同类型激光源对应的激光损伤阈值。
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。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。
先计算光斑面积:光斑面积=πr2=3.14x(0.4mm)2=5.024x10-3cm2。
然后计算单位面积的激光功率:功率密度=激光功率/光斑面积=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:光学元件的激光损伤阈值与波长成正比。532nm处的激光损伤阈值大概是1064nm处的一半。
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。对于脉宽在微秒到纳秒之间的脉冲激光器,损伤阈值与脉冲宽度的平方根在时域上成正比。例如,在1s脉冲下,光学元件的损伤阈值是在10ns脉冲下的10倍。如果在10ns脉冲下,光学元件的损伤阈值为2j/cm~2,则在相同波长的1s激光脉冲下,光学元件的损伤阈值为2j/cm~2*(10-6sec/10x10-9sec)1/2=20j/cm~2。
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。