连续激光器中激光二极管的挑战

　　图1：不同根本原因导致的激光诱导损伤的各种形态。

　　与脉冲激光系统相比，使用环境对连续波(CW)激光损伤阈值的影响更大，因此连续波激光系统用户需要更加谨慎。连续波激光器的损伤阈值通常指定为在给定波长下测量的线性功率密度。用户不应过于依赖光学组件的指定CW损伤阈值，而不首先考虑许多可能改变该值的参数：激光功率、光束直径和环境测试条件等。

　　定义与差异：

　　ISO标准将激光诱导损伤阈值(LIDT)定义为“入射到光学部件上的最大激光辐射量，其损伤的外推概率为零”。脉冲激光和连续激光的工作方式不同，因此显示出不同的损伤机制。脉冲LIDT通过单次或多次测试进行测试，而连续LIDT通过将光学器件暴露于激光的恒定通量下一定时间进行测试。脉冲激光损伤，通过纳秒到飞秒范围内的曝光时间来测量，通常是由电场或机械应力损伤引起的。大于100皮秒的脉冲持续时间通常导致常规熔化。CW激光损伤是由光学器件中的热诱导应力引起的加热或机械故障引起的。因此，曝光时间以微秒为单位的准连续激光损伤是由电场和热损伤的组合引起的。

　　指定和测试CW LIDT的独特挑战

　　连续波激光损伤阈值测试带来了脉冲激光损伤测试中没有的挑战。CW测试需要考虑的一些主要参数包括曝光时间、光束直径、结构材料、样品缺陷和安装选择。还应考虑环境条件，尤其是光学器件上的任何气流。

　　曝光时间是所考虑的光学器件受到激光功率的时间间隔。CW激光损伤测试的暴露时间大于1秒，但每个测试点通常为5秒至1分钟，或者直到样品失效。与暴露时间相关的另一个考虑因素是每次测试之间的等待时间。如果样品没有足够的时间进行热“松弛”，则样品的下一次暴露将比上一次更困难。这在一定程度上与脉冲激光重复率有关，尽管在更长的时间尺度上。这在现实世界中提供了更多的不确定性;用户将给光学器件多长时间来恢复?这段休息时间可以很好地决定光学器件的好坏。

　　光束将与之相互作用的缺陷数量将由选择用于测试的光束直径决定。了解光学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损伤，如裂纹或凹槽，也可以是表面的缺陷，如涂层的缺陷或光学器件上的污染物。涂层损坏通常是由于表面上的灰尘或划痕易于吸收造成的。在表面处足够的能量吸收可导致涂层的分层。从本质上讲，光束遇到的缺陷越多，损伤阈值就越低。

　　衬底材料的热导率和吸收率决定了热量在整个光学器件中分布的轮廓。例如，硅和锗透射光学器件通过红外(IR)光，但不通过可见光，这导致第一表面上的吸收。这种第一表面吸收然后导致光学器件表面上的温度升高，这反过来又导致显著的温度梯度。温度梯度的大小可以确定样品是否会受到损坏。因此，在连续激光测试过程中经常使用具有高反射涂层的光学器件，因为它们能够将一些热量反射离开光学器件。

　　样品的安装方式是另一个需要考虑的重要参数。有时，支架会引入机械应变，这会增加激光吸收引起的热应变的影响。样品是否用胶水安装也会影响热量在整个光学器件中的传递方式。此外，安装选择引入了通过对流冷却的可能性，这是空气流过样品的结果。散热器的存在及其吸收来自光学器件的辐射的有效性可以显著提高样品的损伤阈值。

　　定标连续波损伤阈值:

　　Slinker等人的一项研究(2019)将CW激光诱导的损伤与光束中心的光学表面因吸收而产生的温度上升直接相关。对于准连续和连续激光系统，热扩散方程能够预测和定标LIDT。在对高反射光学器件的损伤阈值进行建模时，考虑了两种情况：泛光照明和点照明。

　　泛光照明被认为是薄反射光学器件的大照明区域，其中探测器安装在散热器上。相对于独立反射光学器件的厚度，点照明是一个较小的照明区域。

　　如果忽略每个表面的对流和辐射，则光束中心表面的温度会随着时间(t)的推移而上升，可以由下式确定：

　　特征时间：

　　其中T0是样品的初始温度， α是照射波长下的分数吸收率，ϕ是线性功率密度，k是基材的导热系数，ρ是样品密度，r是样品的半径，cp是比热容.

　　损伤阈值告诉我们光学器件在一定量的激光辐射下发生故障的可能性。对于连续波激光器，该阈值可以被视为线性功率密度，

，其已被证明随着曝光时间的增加而减少。在忽略环境因素的情况下，线性功率密度作为曝光时间函数的最小值可以通过设置等于失效或临界温度Tc，并求解φ来求解：

　　在这些条件下，损坏样品所需的激光功率是恒定的线性功率密度。此外，ISO标准指示按线性功率密度而非辐照度进行定标。或者，考虑到环境测试条件，对于独立反射光学器件，表面温度随时间上升：

　　特征时间：

　　

是样品的初始温度，

是样品周围空气的温度，L是样品厚度，I是辐照度

，α是照射波长下的分数吸收率，t是曝光时间。在上述两个方程中，

是有效对流系数——对流和辐射贡献的总和。考虑到样品的两个表面，该系数加倍。

　　仍然要记住环境条件，在光学器件上有显著的气流和来自光学器件表面的辐射的情况下，损伤阈值辐照度可以通过以下公式计算：

　　该损伤阈值辐照度降低到最小值：

　　图2：在两种测试条件下，辐照度随暴露时间的增加而定标——最终显示了测试过程中空气流对样品的影响。

　　图3：暴露于准连续和连续激光的样品的损伤阈值随着光束直径和暴露时间的增加而降低。

　　结论：

　　对于所考虑的所有光束直径，暴露于准连续和连续激光的样品的损伤阈值随着光束直径和暴露时间的增加而降低。光束越大，就越有可能在光学器件上遇到多个缺陷，从而降低损伤阈值。热量在样品中分散的方式取决于所用基材的尺寸和热容。在样品上方有高速气流的条件下，光学器件表面的温度大大降低，因此，损伤阈值远高于未冷却的光学器件。

　　为连续激光系统指定LIDT最困难的部分是在可重复的条件下测试样品。各种应用需要不同的激光功率、光束直径和其他有用的参数，并不是每个用户都能重现测试光学器件的环境。安装、等待时间、环境条件和其他几个参数可以改变光学器件的损伤阈值。本文说明中提到的各种测试条件推动了指定CW LIDT的挑战。

审核编辑 黄宇