Главная / Библиотека / Расчеты порога лазерного повреждения

Расчеты порога лазерного повреждения

Расчеты порога лазерного повреждения

О пороге лазерного повреждения

Далее предложены краткие сведения о том, как измеряется порог лазерного повреждения и как эти данные применяются в подборе подходящего оптического оборудования. При выборе какой-либо оптики важно учитывать порог ее лазерного повреждения, который во многом зависит от типа используемого лазера. Лазеры непрерывного действия вызывают повреждения в основном из-за термического эффекта (поглощение излучения покрытием или самим образцом с дальнейшим перегревом). Импульсные лазеры часто выбивают электроны из кристаллической структуры оптики прежде, чем происходит тепловое повреждение. Стоит отметить, что все расчеты в данной статье выполнены при комнатной температуре и качестве оптики в пределах допустимых погрешностей, без загрязнений и т. д. Поскольку пыль или другие частицы на поверхности оптического элемента могут привести к повреждению и при более низких мощностях излучения, рекомендуется держать поверхности чистыми и свободными от посторонних предметов.

Тестирование

Сначала пучок малой мощности (энергии) направляется на оптический элемент для снятия тестовых значений. Оптика в 10 местах подвергается воздействию непрерывного лазерного излучения в течение 30 секунд, в случае импульсного источника – действию нескольких импульсов (указывается частота повторения импульсов). После этого оптический прибор исследуется под микроскопом (с увеличением ~ 100Х) на предмет наличия видимых повреждений. Количество точек повреждения на определенном уровне мощности (энергии) записывается. Затем мощность (энергия) либо увеличивается, либо уменьшается, действие излучения проверяется в 10 новых местах. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не происходит критическое повреждение. Пороговое значение повреждения затем назначается наивысшей мощностью (энергией), которую оптический элемент может выдержать без ущерба. На гистограмме (рис. 1) и в таблице 1 представлены результаты тестирования зеркала Thorlabs BB1-E02.

1
Рисунок 1. Результаты тестирования зеркала Thorlabs BB1-E02

Результаты тестирования показали, что порог разрушения зеркала составил 2.00 Дж/см2 (длина волны 532 нм, длительность импульса 10 нс, частота следования импульсов 10 Гц, диаметр пучка 0.803 мм).

Таблица 1. Результаты тестирования зеркала Thorlabs BB1-E02

Плотность энергии

Число точек воздействия

Количество повреждений

Количество воздействий без повреждения

1.50 Дж/см2

10

0

10

1.75 Дж/см2

10

0

10

2.00 Дж/см2

10

0

10

2.25 Дж/см2

10

1

9

3.00 Дж/см2

10

1

9

5.00 Дж/см2

10

9

1

На фотографии (рис. 2), показано зеркало с алюминиевым покрытием Thorlabs BB1-E02 после тестирования лазерного порога повреждения на длине волны 1064 нм. Показатель пороговой плотности энергии при этом тестировании оказался равен 0.43 Дж/см2 (длительность импульса 10 нс, частота следования импульсов 10 Гц, диаметр пучка 1 мм).

2
Рисунок 2. Фотография зеркала Thorlabs BB1-E02 после процедуры тестирования

Непрерывные и длинноимпульсные лазеры

Частым случаем повреждения оптики источником непрерывного лазерного излучения является плавление поверхности из-за поглощения лазерной энергии, либо разрушение оптического антиотражающего покрытия. Импульсные лазеры с длительностью импульса более 1 мкс могут использоваться в качестве источников непрерывного лазерного излучения при измерении порога лазерного повреждения.

Если длительность светового импульса лежит в диапазоне 1 нс – 1 мкс, повреждение может возникнуть как из-за поглощения, так и из-за пробоя в диэлектрике, поэтому нужно проверять воздействие и непрерывным, и импульсным излучением. Поглощение происходит либо из-за внутренних свойств оптики, либо возникает из-за неровностей поверхности. Значения порога лазерного повреждения справедливы только для оптики, соответствующей характеристикам качества поверхности, указанным производителем. Многие оптические элементы совместимы с мощными непрерывными лазерами: например, ахроматические дублеты с покрытием или высоко поглощающая оптика, поскольку, как правило, имеют более низкие пороги повреждения непрерывным излучением. Это обусловлено поглощением или рассеянием в металлическом покрытии.

Импульсные лазеры с высокой частотой повторения импульсов по характеристикам аналогичны непрерывным источникам лазерного излучения. К сожалению, из-за сильной зависимости от таких факторов, как поглощение и тепловое рассеяние, еще не найдено надежного метода определения частоты, при которой происходит повреждение оптики от тепловых эффектов. У высокочастотного импульсного излучения среднюю и пиковую мощности следует сравнивать с эквивалентной мощностью непрерывного лазерного источника. Следует также учитывать, что для высокопрозрачных материалов практически отсутствует снижение порога лазерного повреждения при увеличении частоты повторения импульсов.

Таким образом, чтобы не допустить превышения порога лазерного повреждения оптики, необходимо обратить внимание на следующее:

  • Длина волны источника лазерного излучения
  • Диаметр пучка (1/e2)
  • Профиль распределения интенсивности пучка (например, Гауссов)
  • Линейную плотность мощности излучения (полная мощность, разделенная на диаметр пучка)

Например, компания Thorlabs приводит характеристики порога лазерного повреждения оптики для непрерывного источника как линейную плотность мощности, измеренную в Вт/см. В этом случае порог лазерного повреждения, показанный как линейная плотность мощности, применим к любому диаметру лазерного пучка. Не нужно пересчитывать пороговое значение для какого-либо размера фокального пятна, как видно из графика, приведенного на рис. 3. Усредненная линейная плотность мощности вычисляется по уравнению, приведенному ниже.

ф1 (2)        (1)

 

3
Рисунок 3. Зависимость линейной плотности мощности от длительности импульса и размера фокального пятна (при длинных импульсах, как и при непрерывном излучении, линейная плотность становится постоянной по размерам пятен)

Приведенный выше расчет предполагает, что профиль распределения интенсивности пучка равномерный. Однако необходимо учитывать точки повышенной тепловой энергии в пучке, неоднородности в профиле распределения интенсивности при выборе наибольшей плотности мощности. Гауссов пучок обычно имеет максимальную плотность мощности, которая в два раза больше, чем у пучка с равномерным распределением интенсивности (рис. 4).

4
Рисунок 4. Графики распределения интенсивности Гауссова (красная линия) и равномерного (синяя линия) пучков: по оси абсцисс интенсивность, по оси ординат расстояние от оптической оси

Далее приведем сравнение максимальной плотности мощности со значением, указанным как пороговое для оптического элемента. Если оптику тестировали с излучением другой длины волны, чем длина волны имеющегося в вашем распоряжении источника, порог повреждения рассчитывается из приведенного ниже соотношения. Существует эмпирическое правило: порог повреждения имеет линейную зависимость от длины волны, так что при переходе на более короткие волны порог повреждения уменьшается, то есть, к примеру, 10 Вт/см при 1310 нм снижается до 5 Вт/см при длине волны 655 нм.

f2_3.png         (2)

 

Эмпирическое правило не является точным способом вычисления порога повреждения и отражает лишь общую тенденцию его зависимости от длины волны. В приложениях, где используется непрерывный лазерный источник, наиболее частой причиной повреждений является поглощение излучения, которое слабо коррелирует с длиной волны. Если же плотность мощности меньше пороговой для этого оптического элемента, то перебои в эксперименте исключаются.

Импульсные лазеры

Как было отмечено ранее, повреждения от импульсных лазеров и лазеров непрерывного действия различны. Излучение импульсных лазеров не приводит к перегреву оптики, однако часто именно из-за импульсных источников происходят нарушения в структуре диэлектрика. Сравнение пороговых значений разрушения оптики и характеристик источника – довольно трудная задача, основанная на данных о длительности импульса. В таблице 2 приведены некоторые сведения о длительности импульса и конкретных пороговых величинах.

Импульсы короче 10-9 с не удастся сравнить с пороговыми величинами лазерного повреждения с приемлемой точностью. В случае ультракоротких импульсов доминирующим механизмом повреждения становится различные механические причины, например, лавинная многофотонная ионизация. Напротив, импульсы длительностью от 10-7 с до 10-4 с могут вызвать повреждение оптического элемента либо из-за пробоя диэлектрической структуры, либо из-за теплового воздействия. Это означает, что пороги повреждения непрерывного и импульсного источников должны сопоставляться с диаметром лазерного пучка. Таким образом удастся определить, подходит ли оптика для конкретного приложения.

Таблица 2. Сведения о длительности импульса и пороговых величинах

Длительность импульса

t < 10-9 с

10-9 < t < 10-7 с

10-7 < t < 10-4 с

t > 10-4 с

Механизм повреждения

Лавинная ионизация

Пробой диэлектрика

Пробой диэлектрика или термическое воздействие

Термическое воздействие

Источник повреждения

-

Импульсный источник

Импульсный или непрерывный источник

Непрерывный источник

При сравнении порога лазерного повреждения, указанного для импульсного лазера, с вашим лазером, важно знать следующее:

  • Длина волны лазерного излучения
  • Плотность энергии пучка (общая энергия, разделенная на площадь пучка на уровне 1/е2)
  • Длительность импульса
  • Частота повторения импульсов
  • Диаметр пучка (1/e2)
  • Профиль распределения интенсивности пучка (например, Гауссов)

Плотность энергии пучка должна быть рассчитана в единицах Дж/см2. На графике (рис. 5) показано, почему выражение порога лазерного повреждения как плотности энергии обеспечивает наилучшую метрику для источников коротких импульсов. В этом режиме величина порога повреждения может применяться к любому диаметру пучка, не нужно специально вычислять порог повреждения, чтобы согласовать его с размером пятна.

5.gif
Рисунок 5. Пороговое лазерное повреждение как плотность энергии в зависимости от длительности импульса и размера фокального пятна (в случае коротких импульсов, плотность энергии постоянна для любого размера пятна)

Сравним максимальную плотность мощности с пороговым значением для оптического элемента. Если оптику тестировали на другой длине волны, чем имеющийся источник, порог повреждения рассчитывается из приведенного ниже соотношения. Существует эмпирическое правило: порог повреждения имеет обратную квадратичную зависимость от длины волны, при переходе на более короткие волны порог повреждения уменьшается, то есть, к примеру, плотность энергии 1 Дж/см2 при 1064 нм равносилен плотности энергии 0.7 Дж/см2 при 532 нм.

f3_1.png         (3)

 

Выполнив все вычисления по указанным рекомендациям, вы получите плотность энергии излучения с поправкой на заданную длину волны.

Диаметр пучка также имеет значение при сопоставлении пороговых величин повреждения. Порог лазерного повреждения, выраженный как плотность энергии в единицах Дж/см², нормируется вне зависимости от размера фокального пятна. Большие диаметры пучка с высокой вероятностью подсветят большее количество дефектов, которые могут привести к серьезным отклонениям в измерении порога лазерного повреждения. Для данных, представленных в этой статье, при измерении порога взят пучок диаметром до 1 мм. Для пучков с диаметром более 5 мм, порог лазерного повреждения не моделируется из-за больших погрешностей.

Чем больше длительность импульса, тем больше энергии может выдержать оптика. Для импульсов с длительностью от 1 до 100 нс, приближение выглядит следующим образом:

f4_1.png

        (4)

 

Если наибольшая плотность энергии меньше, чем плотность энергии повреждения, проблем в проведении опыта не возникнет. Указанная расчетная формула приведена для импульсов, длительность которых лежит в диапазоне от 10-9 с до 10-7 с. Для импульсов из диапазона 10-7 – 10-4  с также необходима предварительная проверка порога повреждения.

Примеры расчетов порогового значения лазерного повреждения

Пример с непрерывным лазером

Предположим, что непрерывный лазер излучает Гауссов пучок с длиной волны 1319 нм, мощностью 0.5 Вт и диаметром 10 мм (1/е2). Приближенный расчет средней линейной плотности мощности этого пучка в соответствии с уравнением (1) дал бы значение 0.5 Вт/см. Однако, как видно из рис. 4, максимальная плотность мощности Гауссова пучка в два раза больше, чем у пучка с равномерным распределением интенсивности. Большую точность гарантирует представление максимальной линейной плотности мощности в виде 1 Вт/см.

К примеру, ахроматический дублет Thorlabs AC127-030-C обладает порогом повреждения, равным 350 Вт/см, при непрерывном излучении с длиной волны 1550 нм. Для расчета порога повреждения на длине волны 1319 нм необходимо воспользоваться соотношением (2). Получается:

f5_1.png

 

 

Рассчитанное значение меньше наибольшей плотности мощности лазерного источника, следовательно, дублет можно свободно использовать в данной системе.

Наносекундный импульсный источник: нормирование для разных длительностей импульса

Предположим, что в эксперименте необходимо использовать излучение третьей гармоники импульсного Nd:YAG лазера с выходным сигналом с частотой 10 Гц, длительностью импульсов 2 нс, длиной волны 355 нм, энергией 1 Дж, и Гауссовым пучком с диаметром 1.9 см (1/e2). Средняя плотность энергии каждого импульса определяется путем деления энергии импульса на площадь пучка. При этом максимальная плотность энергии Гауссова пучка в два раза больше, чем у пучка с равномерным распределением интенсивности, поэтому максимальной плотностью энергии луча будет величина, равная 0.7 Дж/см2.

Сравним плотность энергии пучка со значениями порога лазерного повреждения в 1 Дж/ см2 и 3.5 Дж/ см2 для широкополосного диэлектрического зеркала Thorlabs BB1-E01 и для лазерного зеркала Thorlabs NB1-K08, соответственно. Оба значения получены на длине волны 355 нм для импульсного источника, излучающего импульсы с длительностью 10 нс и с частотой 10 Гц. В данном случае необходимо вносить поправки для более коротких импульсов. Как описано ранее, порог повреждения имеет обратную квадратичную зависимость от длительности импульса (уравнение (4)). Таким образом порог лазерного повреждения для широкополосного зеркала Thorlabs BB1-E01 составляет 0.45 Дж/см2, для лазерного зеркала Thorlabs NB1-K08 – 1.6 Дж/см2. Эти значения сравниваем с максимальной плотностью энергии пучка, равной 0.7 Дж/см2. Широкополосное зеркало, вероятнее всего, будет повреждено лазером, но а лазерное зеркало будет оптимально для использования в этой системе.

Наносекундный импульсный источник: нормирование для разных длин волн

Предположим, что импульсный источник генерирует импульсы длительностью 10 нс с частотой 2.5 Гц, энергия каждого импульса 100 мДж, длина волны 1064 нм, диаметр пучка 16 мм (1/е2). Излучение ослабляется фильтром нейтральной плотности. Для Гауссова пучка наибольшая плотность энергии должна составлять 0.1 Дж/см2. Порог повреждения для отражающего нейтрального фильтра Thorlabs DUV10A (Ø25 мм, OD 1.0) при длине волны 355 нм составляет 0.05 Дж/см2, для поглощающего фильтра Thorlabs NE10A с аналогичными характеристиками – 10 Дж /см2 при длине волны 532 нм. При данной нормировке значение порога повреждения в соответствии с уравнением (3) для отражающего фильтра составляет 0.08 Дж/см2, для поглощающего – 14 Дж/см2. Более устойчивым оказывается поглощающий фильтр.

Пример для импульсного микросекундного лазера

Предположим, что микросекундный лазер излучает импульсы длительностью 1 мкс, каждый импульс обладает энергией 150 мкДж, частота повторения импульсов 50 кГц, коэффициент заполнения 5%. Эта система по свойствам находится между непрерывными источниками и импульсными, а потому повреждение оптических приборов может быть вызвано и термическими эффектами, и разрушением диэлектрической структуры. При комбинировании этих источников следует сопоставлять пороговые значения лазерного повреждения.

Если этот лазер с относительно продолжительными импульсами излучает Гауссов пучок диаметром 12.7 мм при длине волны 980 нм, выходная плотность мощности составляет 5.9 Вт/см, а плотность энергии в импульсе – 1.2 · 10-4 Дж/см2. Эти значения сравним с пороговыми значениями лазерного повреждения четвертьволновой пластины нулевого порядка Thorlabs WPQ10E-980, равным 5 Вт/см для непрерывного излучения на длине волны 810 нм, и 5 Дж/см2 для импульсного излучения с длительностью 10 нс на длине волны 810 нм.

Как отмечалось выше, порог лазерного повреждения для непрерывного источника обладает линейной зависимостью от длины волны (уравнение (2)). Таким образом, величина порога повреждения составляет 6 Вт/см при длине волны 980 нм в случае непрерывного источника. В случае импульсного лазера, пороговое значение рассчитывается из квадратичной зависимости (уравнение (3)) и составляет 55 Дж/см2 при длине волны 980 нм. Оптика выдерживает импульсные сигналы лучше, чем любые другие из-за плотности энергии отдельного импульса. Однако при высокой средней плотности мощности излучения, как, например, у высокомощных непрерывных лазеров, негативного термического эффекта не избежать.

 

Последние статьи
Энергетика

Суперконтинуум лазеры белого света используются в качестве симулятора солнечного света как для крупногабаритных батарей, так и для испытаний в микромасштабе, например, для анализа плазмонных частиц при преобразованиях с понижением или повышением частоты...

Эталоны Фабри-Перо

Интерферометр Фабри-Перо состоит из двух плоских параллельных полупрозрачных зеркал, разнесенных на некотором расстоянии...

Правила хранения и очистки оптики

Срок службы и показатели производительности оптических компонентов во многом зависят от соблюдения пользователем правил эксплуатации и очищения...

Пространственные фильтры

Во многих приложениях, где используются лазерные технологии, неизбежными являются пространственные искажения лазерного пучка, которые оказывают непосредственное влияние на результат эксперимента. Во избежание подобных неточностей используют системы пространственной фильтрации...

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку, и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2