連續(xù)激光器中激光二極管的挑戰(zhàn)

圖1：不同根本原因?qū)е碌募す庹T導(dǎo)損傷的各種形態(tài)。

與脈沖激光系統(tǒng)相比，使用環(huán)境對連續(xù)波(CW)激光損傷閾值的影響更大，因此連續(xù)波激光系統(tǒng)用戶需要更加謹(jǐn)慎。連續(xù)波激光器的損傷閾值通常指定為在給定波長下測量的線性功率密度。用戶不應(yīng)過于依賴光學(xué)組件的指定CW損傷閾值，而不首先考慮許多可能改變該值的參數(shù)：激光功率、光束直徑和環(huán)境測試條件等。

定義與差異：

ISO標(biāo)準(zhǔn)將激光誘導(dǎo)損傷閾值(LIDT)定義為“入射到光學(xué)部件上的最大激光輻射量，其損傷的外推概率為零”。脈沖激光和連續(xù)激光的工作方式不同，因此顯示出不同的損傷機(jī)制。脈沖LIDT通過單次或多次測試進(jìn)行測試，而連續(xù)LIDT通過將光學(xué)器件暴露于激光的恒定通量下一定時間進(jìn)行測試。脈沖激光損傷，通過納秒到飛秒范圍內(nèi)的曝光時間來測量，通常是由電場或機(jī)械應(yīng)力損傷引起的。大于100皮秒的脈沖持續(xù)時間通常導(dǎo)致常規(guī)熔化。CW激光損傷是由光學(xué)器件中的熱誘導(dǎo)應(yīng)力引起的加熱或機(jī)械故障引起的。因此，曝光時間以微秒為單位的準(zhǔn)連續(xù)激光損傷是由電場和熱損傷的組合引起的。

指定和測試CW LIDT的獨特挑戰(zhàn)

連續(xù)波激光損傷閾值測試帶來了脈沖激光損傷測試中沒有的挑戰(zhàn)。CW測試需要考慮的一些主要參數(shù)包括曝光時間、光束直徑、結(jié)構(gòu)材料、樣品缺陷和安裝選擇。還應(yīng)考慮環(huán)境條件，尤其是光學(xué)器件上的任何氣流。

曝光時間是所考慮的光學(xué)器件受到激光功率的時間間隔。CW激光損傷測試的暴露時間大于1秒，但每個測試點通常為5秒至1分鐘，或者直到樣品失效。與暴露時間相關(guān)的另一個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(jìn)行熱“松弛”，則樣品的下一次暴露將比上一次更困難。這在一定程度上與脈沖激光重復(fù)率有關(guān)，盡管在更長的時間尺度上。這在現(xiàn)實世界中提供了更多的不確定性;用戶將給光學(xué)器件多長時間來恢復(fù)?這段休息時間可以很好地決定光學(xué)器件的好壞。

光束將與之相互作用的缺陷數(shù)量將由選擇用于測試的光束直徑?jīng)Q定。了解光學(xué)器件表面上或表面下的任何缺陷都很重要。缺陷可以是表面下的損傷，如裂紋或凹槽，也可以是表面的缺陷，如涂層的缺陷或光學(xué)器件上的污染物。涂層損壞通常是由于表面上的灰塵或劃痕易于吸收造成的。在表面處足夠的能量吸收可導(dǎo)致涂層的分層。從本質(zhì)上講，光束遇到的缺陷越多，損傷閾值就越低。

襯底材料的熱導(dǎo)率和吸收率決定了熱量在整個光學(xué)器件中分布的輪廓。例如，硅和鍺透射光學(xué)器件通過紅外(IR)光，但不通過可見光，這導(dǎo)致第一表面上的吸收。這種第一表面吸收然后導(dǎo)致光學(xué)器件表面上的溫度升高，這反過來又導(dǎo)致顯著的溫度梯度。溫度梯度的大小可以確定樣品是否會受到損壞。因此，在連續(xù)激光測試過程中經(jīng)常使用具有高反射涂層的光學(xué)器件，因為它們能夠?qū)⒁恍崃糠瓷潆x開光學(xué)器件。

樣品的安裝方式是另一個需要考慮的重要參數(shù)。有時，支架會引入機(jī)械應(yīng)變，這會增加激光吸收引起的熱應(yīng)變的影響。樣品是否用膠水安裝也會影響熱量在整個光學(xué)器件中的傳遞方式。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(jié)果。散熱器的存在及其吸收來自光學(xué)器件的輻射的有效性可以顯著提高樣品的損傷閾值。

定標(biāo)連續(xù)波損傷閾值:

Slinker等人的一項研究(2019)將CW激光誘導(dǎo)的損傷與光束中心的光學(xué)表面因吸收而產(chǎn)生的溫度上升直接相關(guān)。對于準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)激光系統(tǒng)，熱擴(kuò)散方程能夠預(yù)測和定標(biāo)LIDT。在對高反射光學(xué)器件的損傷閾值進(jìn)行建模時，考慮了兩種情況：泛光照明和點照明。

泛光照明被認(rèn)為是薄反射光學(xué)器件的大照明區(qū)域，其中探測器安裝在散熱器上。相對于獨立反射光學(xué)器件的厚度，點照明是一個較小的照明區(qū)域。

如果忽略每個表面的對流和輻射，則光束中心表面的溫度會隨著時間(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?jǐn)?shù)吸收率，?是線性功率密度，k是基材的導(dǎo)熱系數(shù)，ρ是樣品密度，r是樣品的半徑，cp是比熱容.

損傷閾值告訴我們光學(xué)器件在一定量的激光輻射下發(fā)生故障的可能性。對于連續(xù)波激光器，該閾值可以被視為線性功率密度，

，其已被證明隨著曝光時間的增加而減少。在忽略環(huán)境因素的情況下，線性功率密度作為曝光時間函數(shù)的最小值可以通過設(shè)置等于失效或臨界溫度Tc，并求解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(biāo)準(zhǔn)指示按線性功率密度而非輻照度進(jìn)行定標(biāo)?；蛘撸紤]到環(huán)境測試條件，對于獨立反射光學(xué)器件，表面溫度隨時間上升：

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?jǐn)?shù)吸收率，t是曝光時間。在上述兩個方程中，

是有效對流系數(shù)——對流和輻射貢獻(xiàn)的總和?？紤]到樣品的兩個表面，該系數(shù)加倍。

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

該損傷閾值輻照度降低到最小值：

圖2：在兩種測試條件下，輻照度隨暴露時間的增加而定標(biāo)——最終顯示了測試過程中空氣流對樣品的影響。

圖3：暴露于準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)激光的樣品的損傷閾值隨著光束直徑和暴露時間的增加而降低。

結(jié)論：

對于所考慮的所有光束直徑，暴露于準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)激光的樣品的損傷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(xué)器件上遇到多個缺陷，從而降低損傷閾值。熱量在樣品中分散的方式取決于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(xué)器件表面的溫度大大降低，因此，損傷閾值遠(yuǎn)高于未冷卻的光學(xué)器件。

為連續(xù)激光系統(tǒng)指定LIDT最困難的部分是在可重復(fù)的條件下測試樣品。各種應(yīng)用需要不同的激光功率、光束直徑和其他有用的參數(shù)，并不是每個用戶都能重現(xiàn)測試光學(xué)器件的環(huán)境。安裝、等待時間、環(huán)境條件和其他幾個參數(shù)可以改變光學(xué)器件的損傷閾值。本文說明中提到的各種測試條件推動了指定CW LIDT的挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃宇