飛秒激光與納秒激光之間的損傷機(jī)制差異

文/Olivia Wheeler，Edmund Optics

圖1

圖1：激光誘導(dǎo)的損傷機(jī)制，在脈沖持續(xù)時(shí)間尺度上存在顯著差異。較長(zhǎng)的脈沖，包括持續(xù)時(shí)間為納秒的脈沖，主要通過(guò)熱效應(yīng)造成損害。隨著脈沖持續(xù)時(shí)間縮短到飛秒時(shí)間尺度，載流子吸收和非線性效應(yīng)成為主要的損傷機(jī)制。[2]

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)元件也必須不斷進(jìn)步，以滿足高精度應(yīng)用所需要的苛刻規(guī)格。超快激光術(shù)的強(qiáng)大力量，徹底改變了醫(yī)療程序、微加工、基礎(chǔ)科學(xué)研究和許多其他領(lǐng)域。對(duì)于以前由納秒激光器主導(dǎo)的行業(yè)和應(yīng)用，采用超快激光器會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，包括光學(xué)元件的激光損傷閾值明顯不同。為了確保激光系統(tǒng)的效率和壽命，了解激光損傷閾值在納秒和飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間上的差異及其原因，至關(guān)重要。

激光損傷閾值（LDT），有時(shí)也稱為激光誘導(dǎo)的損傷閾值（LIDT），是為任何激光系統(tǒng)選擇光學(xué)元件時(shí)需要評(píng)估的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。ISO 21254將LDT定義為“入射到光學(xué)元件上的最大激光輻射量，并推測(cè)其對(duì)光學(xué)元件的損壞概率為零”。[1]這個(gè)定義看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際的LDT值取決于光學(xué)元件本身性質(zhì)之外的各種因素。特別地，當(dāng)在納秒（10-9s）與飛秒（10-15s）脈沖持續(xù)時(shí)間下進(jìn)行評(píng)估時(shí)，光學(xué)元件的LDT可能會(huì)變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種巨大的差異，源于在這些不同的時(shí)間尺度上發(fā)生的激光損傷機(jī)制截然不同（見(jiàn)圖1）。

納秒激光損傷機(jī)制

與飛秒脈沖相比，納秒激光的長(zhǎng)脈沖主要通過(guò)熱機(jī)制對(duì)光學(xué)元件造成損傷。激光將大量能量沉積到光學(xué)元件的材料中，從而引發(fā)激光入射部位內(nèi)的局部加熱。這種加熱可能直接引發(fā)熔化，也可能通過(guò)熱膨脹和由此產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力引起一些結(jié)構(gòu)變化。這種應(yīng)力可能會(huì)繼續(xù)導(dǎo)致開(kāi)裂，甚至導(dǎo)致涂層完全與基材分離。[3]

除了涂層材料被直接加熱外，納秒激光照射下的光學(xué)元件對(duì)涂層內(nèi)的缺陷特別敏感。這些缺陷就像光學(xué)涂層內(nèi)的小避雷針，因?yàn)樗鼈兊奈章时戎車h(huán)境高得多。因此，這些缺陷區(qū)域會(huì)更快地升溫，在發(fā)生災(zāi)難性激光損傷的情況下，這些缺陷會(huì)從涂層中爆炸出來(lái)。這種劇烈的損傷機(jī)制通常會(huì)在光學(xué)元件表面留下彈坑，以及在損傷事件發(fā)生后立即重新沉積在表面的一些顆粒物（見(jiàn)圖2）。

圖2

圖2：532nm納秒脈沖激光產(chǎn)生的激光損傷。這種損傷是由光學(xué)元件涂層內(nèi)的缺陷引起的，導(dǎo)致元件表面上出現(xiàn)了彈坑和再沉積的顆粒物。[4]

因?yàn)檫@些缺陷點(diǎn)位會(huì)引發(fā)激光損傷，所以對(duì)于特定的光學(xué)元件，缺陷的存在率越高，LDT通常越低。因此，與納秒激光器一起使用的光學(xué)元件，要將重點(diǎn)放在光學(xué)元件的表面質(zhì)量上。而且，納秒時(shí)間尺度的LDT測(cè)試，是一個(gè)高度統(tǒng)計(jì)的過(guò)程。光學(xué)表面上任何給定位置的損壞概率，是由許多相關(guān)因素引起的，包括入射光束的大小、缺陷位置的分布和密度，以及固有的材料屬性。這些多種影響因素，也解釋了為什么納秒LDT值在同一涂層的不同批次之間可能存在顯著差異。LDT可能會(huì)受到基材拋光和制備的不一致性、實(shí)際涂層沉積過(guò)程中的波動(dòng)、甚至是涂層后儲(chǔ)存條件變化的影響。

納秒級(jí)LDT的各種影響因素，與造成飛秒激光損傷的主要機(jī)制形成鮮明對(duì)比，飛秒激光損傷主要與所應(yīng)用的涂層材料有關(guān)。[3]

飛秒激光損傷機(jī)制

飛秒激光的超快脈沖通過(guò)不同的機(jī)制引起損傷，部分原因是它們產(chǎn)生的峰值功率非常高。即使納秒和飛秒激光具有相同的脈沖能量，但是由于飛秒激光的脈沖持續(xù)時(shí)間較短，飛秒激光脈沖的峰值功率會(huì)比納秒激光高出約100萬(wàn)倍。這些高強(qiáng)度激光脈沖，能夠直接將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶。即使入射激光脈沖的光子能量低于這種躍遷（即所謂的材料帶隙），超快激光脈沖的峰值通量也很高，以至于電子一次可以吸收多個(gè)光子。這種非線性機(jī)制被稱為多光子電離，是超快激光光學(xué)中常見(jiàn)的損傷途徑。

隧穿電離也可能是飛秒激光照射下的損傷途徑。這種現(xiàn)象發(fā)生在超快激光脈沖產(chǎn)生的非常強(qiáng)的電場(chǎng)下，這種電場(chǎng)非常強(qiáng)，以至于入射電場(chǎng)實(shí)際上扭曲了導(dǎo)帶的能量，這使得電子能夠從價(jià)帶隧穿。一旦足夠的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，入射輻射就開(kāi)始將能量直接耦合到自由電子中，從而導(dǎo)致涂層材料的擊穿。[3]

由于這些損傷途徑，飛秒LDT比納秒LDT更具確定性。激光損傷本質(zhì)上是在飛秒激光的一定輸入通量下“開(kāi)啟”的，該通量與所涂覆的介電涂層材料的帶隙成比例。這與納秒激光損傷的概率性形成鮮明對(duì)比（見(jiàn)圖3）。

圖3

圖3：在4ns（左）和48fs（右）脈沖條件下獲得的LDT測(cè)試結(jié)果。納秒損傷曲線的平緩斜率反映了測(cè)量的概率性，而向100%損傷概率的急劇轉(zhuǎn)變反映了飛秒激光損傷的確定性機(jī)制。

與納秒激光損傷途徑相比，重要的是要注意熱效應(yīng)在飛秒時(shí)間尺度上并不影響光學(xué)元件的LDT。這是因?yàn)槌旒す饷}沖的持續(xù)時(shí)間，實(shí)際上比材料結(jié)構(gòu)內(nèi)熱擴(kuò)散的時(shí)間尺度要快。因此，飛秒脈沖不會(huì)將能量作為熱量沉積到涂層材料中去，因此也不會(huì)像納秒激光脈沖那樣產(chǎn)生熱膨脹和機(jī)械應(yīng)力。由于這些確切的原因，超快激光在許多需要高精度切割和標(biāo)記的應(yīng)用中具有極大優(yōu)勢(shì)，[5]例如用于制造心血管支架。[6]

選擇正確的光學(xué)元件

就像它們的脈沖持續(xù)時(shí)間一樣，納秒和飛秒脈沖的典型LDT值可能相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)用100fs脈沖測(cè)量時(shí)，普通激光鏡的LDT值可能約為0.2J/cm2；但用5ns脈沖測(cè)量時(shí)，該光學(xué)元件的LDT可能更接近10J/cm2。這些不同的值可能首先令人擔(dān)憂，但它們不過(guò)是表明了在這些時(shí)間尺度上的損傷機(jī)制截然不同。

出于同樣的原因，在大時(shí)間尺度上使用LDT計(jì)算器時(shí)要格外小心。一般來(lái)說(shuō)，隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，LDT會(huì)變大。但是將LDT值從適應(yīng)飛秒脈沖調(diào)整到適應(yīng)納秒脈沖，或是從適應(yīng)納秒脈沖調(diào)整到適應(yīng)飛秒脈沖，很可能會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件損壞。最好的做法是選擇一種具有合適LDT額定值的光學(xué)元件，并且該額定值是在盡可能接近您的實(shí)際應(yīng)用條件下（包括波長(zhǎng)、重復(fù)頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間）獲得的。

小結(jié)

激光技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，以滿足更高精度的需求。隨著這些新技術(shù)的形成，了解激光損傷機(jī)制的差異（以及在特定時(shí)間尺度上哪些損傷占主導(dǎo)地位），對(duì)于為實(shí)際應(yīng)用選擇合適的光學(xué)元件將越來(lái)越重要。了解這些差異不僅可以提高在用的激光系統(tǒng)的效率和壽命，還可以無(wú)縫適應(yīng)未來(lái)更先進(jìn)的激光系統(tǒng)。