飞秒激光与纳秒激光之间的损伤机制差异

      文/Olivia Wheeler，Edmund Optics

图1

      图1：激光诱导的损伤机制，在脉冲持续时间尺度上存在显著差异。较长的脉冲，包括持续时间为纳秒的脉冲，主要通过热效应造成损害。随着脉冲持续时间缩短到飞秒时间尺度，载流子吸收和非线性效应成为主要的损伤机制。[2]

      随着激光技术的不断发展，光学元件也必须不断进步，以满足高精度应用所需要的苛刻规格。超快激光术的强大力量，彻底改变了医疗程序、微加工、基础科学研究和许多其他领域。对于以前由纳秒激光器主导的行业和应用，采用超快激光器会面临一些挑战，包括光学元件的激光损伤阈值明显不同。为了确保激光系统的效率和寿命，了解激光损伤阈值在纳秒和飞秒脉冲持续时间上的差异及其原因，至关重要。

      激光损伤阈值（LDT），有时也称为激光诱导的损伤阈值（LIDT），是为任何激光系统选择光学元件时需要评估的一个关键参数。ISO 21254将LDT定义为“入射到光学元件上的最大激光辐射量，并推测其对光学元件的损坏概率为零”。[1]这个定义看起来很简单，但实际的LDT值取决于光学元件本身性质之外的各种因素。特别地，当在纳秒（10-9s）与飞秒（10-15s）脉冲持续时间下进行评估时，光学元件的LDT可能会变化几个数量级。这种巨大的差异，源于在这些不同的时间尺度上发生的激光损伤机制截然不同（见图1）。

      纳秒激光损伤机制

      与飞秒脉冲相比，纳秒激光的长脉冲主要通过热机制对光学元件造成损伤。激光将大量能量沉积到光学元件的材料中，从而引发激光入射部位内的局部加热。这种加热可能直接引发熔化，也可能通过热膨胀和由此产生的机械应力引起一些结构变化。这种应力可能会继续导致开裂，甚至导致涂层完全与基材分离。[3]

      除了涂层材料被直接加热外，纳秒激光照射下的光学元件对涂层内的缺陷特别敏感。这些缺陷就像光学涂层内的小避雷针，因为它们的吸收率比周围环境高得多。因此，这些缺陷区域会更快地升温，在发生灾难性激光损伤的情况下，这些缺陷会从涂层中爆炸出来。这种剧烈的损伤机制通常会在光学元件表面留下弹坑，以及在损伤事件发生后立即重新沉积在表面的一些颗粒物（见图2）。

图2

      图2：532nm纳秒脉冲激光产生的激光损伤。这种损伤是由光学元件涂层内的缺陷引起的，导致元件表面上出现了弹坑和再沉积的颗粒物。[4]

      因为这些缺陷点位会引发激光损伤，所以对于特定的光学元件，缺陷的存在率越高，LDT通常越低。因此，与纳秒激光器一起使用的光学元件，要将重点放在光学元件的表面质量上。而且，纳秒时间尺度的LDT测试，是一个高度统计的过程。光学表面上任何给定位置的损坏概率，是由许多相关因素引起的，包括入射光束的大小、缺陷位置的分布和密度，以及固有的材料属性。这些多种影响因素，也解释了为什么纳秒LDT值在同一涂层的不同批次之间可能存在显著差异。LDT可能会受到基材抛光和制备的不一致性、实际涂层沉积过程中的波动、甚至是涂层后储存条件变化的影响。

      纳秒级LDT的各种影响因素，与造成飞秒激光损伤的主要机制形成鲜明对比，飞秒激光损伤主要与所应用的涂层材料有关。[3]

      飞秒激光损伤机制

      飞秒激光的超快脉冲通过不同的机制引起损伤，部分原因是它们产生的峰值功率非常高。即使纳秒和飞秒激光具有相同的脉冲能量，但是由于飞秒激光的脉冲持续时间较短，飞秒激光脉冲的峰值功率会比纳秒激光高出约100万倍。这些高强度激光脉冲，能够直接将电子从价带激发到导带。即使入射激光脉冲的光子能量低于这种跃迁（即所谓的材料带隙），超快激光脉冲的峰值通量也很高，以至于电子一次可以吸收多个光子。这种非线性机制被称为多光子电离，是超快激光光学中常见的损伤途径。

      隧穿电离也可能是飞秒激光照射下的损伤途径。这种现象发生在超快激光脉冲产生的非常强的电场下，这种电场非常强，以至于入射电场实际上扭曲了导带的能量，这使得电子能够从价带隧穿。一旦足够的电子被激发到导带，入射辐射就开始将能量直接耦合到自由电子中，从而导致涂层材料的击穿。[3]

      由于这些损伤途径，飞秒LDT比纳秒LDT更具确定性。激光损伤本质上是在飞秒激光的一定输入通量下“开启”的，该通量与所涂覆的介电涂层材料的带隙成比例。这与纳秒激光损伤的概率性形成鲜明对比（见图3）。

图3

      图3：在4ns（左）和48fs（右）脉冲条件下获得的LDT测试结果。纳秒损伤曲线的平缓斜率反映了测量的概率性，而向100%损伤概率的急剧转变反映了飞秒激光损伤的确定性机制。

      与纳秒激光损伤途径相比，重要的是要注意热效应在飞秒时间尺度上并不影响光学元件的LDT。这是因为超快激光脉冲的持续时间，实际上比材料结构内热扩散的时间尺度要快。因此，飞秒脉冲不会将能量作为热量沉积到涂层材料中去，因此也不会像纳秒激光脉冲那样产生热膨胀和机械应力。由于这些确切的原因，超快激光在许多需要高精度切割和标记的应用中具有极大优势，[5]例如用于制造心血管支架。[6]

      选择正确的光学元件

      就像它们的脉冲持续时间一样，纳秒和飞秒脉冲的典型LDT值可能相差几个数量级。当用100fs脉冲测量时，普通激光镜的LDT值可能约为0.2J/cm2；但用5ns脉冲测量时，该光学元件的LDT可能更接近10J/cm2。这些不同的值可能首先令人担忧，但它们不过是表明了在这些时间尺度上的损伤机制截然不同。

      出于同样的原因，在大时间尺度上使用LDT计算器时要格外小心。一般来说，随着脉冲持续时间的延长，LDT会变大。但是将LDT值从适应飞秒脉冲调整到适应纳秒脉冲，或是从适应纳秒脉冲调整到适应飞秒脉冲，很可能会导致光学元件损坏。最好的做法是选择一种具有合适LDT额定值的光学元件，并且该额定值是在尽可能接近您的实际应用条件下（包括波长、重复频率和脉冲持续时间）获得的。

      小结

      激光技术将继续发展，以满足更高精度的需求。随着这些新技术的形成，了解激光损伤机制的差异（以及在特定时间尺度上哪些损伤占主导地位），对于为实际应用选择合适的光学元件将越来越重要。了解这些差异不仅可以提高在用的激光系统的效率和寿命，还可以无缝适应未来更先进的激光系统。