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激光损伤阈值

时间：2015-11-5 12:57作者：update 阅读(3086) 评论: 6

导读：激光系统的搭建过程中，选择激光光学元件一个很重要的因素是光学元件是否可以承受光辐射带来的影响，这一点在高功率激光应用中尤为重要。光辐射对光学元件的损伤主要有三种形式：一是因光吸收导致的热效应；二是短脉 ...

激光系统的搭建过程中，选择激光光学元件一个很重要的因素是光学元件是否可以承受光辐射带来的影响，这一点在高功率激光应用中尤为重要。光辐射对光学元件的损伤主要有三种形式：一是因光吸收导致的热效应；二是短脉冲激光辐射下造成的介质击穿；三是超短脉冲激光下，因极高的峰值功率而直接导致的物质化学键破坏。衡量一个光学元件承受光辐射能力的参数是激光损伤阈值，代表元件可以承受的最大光功率密度（连续光源）或最大能量密度（脉冲光源），常见单位分别是W/cm2和J/cm2。

不同形式的激光光源对应的激光损伤阈值有不同的概念和定义：

一、连续激光

连续激光对光学元件的损伤，主要是由光吸收形成的热效应造成的，损伤阈值由最高可承受的激光功率密度表示。例如，计算一个功率为50mW的Nd:YAG激光器的功率密度，波长1064nm，光束直径0.8 mm。首先，计算激光的光斑面积大小：

光斑面积

= πr2

= 3.14 x (0.4 mm)2

= 5.024 x 10-3 cm2

然后计算功率密度，即每单位面积上的激光功率：

功率密度

= 激光功率/ 光斑面积=9.95 W/cm2

把它与光学元件的损伤阈值比较，来判断该光学元件是否适用。

对于一束高斯激光光束，为了保险起见，通常需要在计算得到的激光功率密度上乘以2，代表高斯光束中心区域的较高功率密度。请注意，光学元件的激光损伤阈值随波长成比例关系。例如，在532nm处的损伤阈值大约是1064nm处阈值的一半。

二、脉冲激光

光学元件在脉冲激光下的损伤阈值，通常由最大可承受的脉冲能量密度来表示。对于脉冲宽度在微秒和纳秒之间的脉冲激光，损伤阈值和脉冲的时域宽度的平方根成比例关系。例如，一个光学元件在1μs脉冲下的损伤阈值，是其在10ns脉冲下损伤阈值的10倍。Newport提供的光学元件，一般都会给出两种激光损伤阈值，一种对应连续激光，一种对应10ns脉宽的脉冲激光。假如有一光学元件在10ns脉冲下的损坏阈值是2J/cm2，那么它在同样波长的1μs的激光脉冲下的损伤阈值则是2J/cm2 * (10-6 sec/ 10 x 10-9 sec)1/2 =20 J/cm2。

对于脉冲宽度在毫秒和连续激光之间的区域，因它处于脉冲激光和连续激光之间的交叠范围，通常比较安全的做法是，同时比较光学元件的连续和脉冲激光损伤阈值，使得两种情况都能满足。另外，在脉冲激光光束中，常有一些较高功率的热点。因此，建议在计算得到的能量或功率密度和光学元件的损伤阈值之间，留有大概2或3倍的安全系数，以保证光学元件不被损坏。高斯光束也同样需要考虑2倍系数，代表光束中心的高功率密度。

三、超快激光

对于脉冲的时域宽度在皮秒和飞秒范围内的超快激光，在激光脉冲内具有极高的峰值功率和电场强度，可对被辐射物质的化学键造成破坏，并诱导介质击穿。超快激光的损伤阈值通常都无法从纳秒脉冲的损伤阈值中计算得到，且损伤机制与脉冲宽度有很大关系，不易表征。

注：因格式关系，文章中尾部数字“2”均为上标。

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