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Layertec镜片损伤阈值(Laser-Induced Damage Threshold)的含义与原理

作者:admin  时间:2023-12-18 2:39:46

激光诱导损伤阈值简单而言是镜片能承受的最大激光功率,当功率超过最大时,镜片就会被损坏。损伤阈值是抗激光损伤能力的一个参量,其英文名称是Laser-Induced Damage Threshold(LIDT)。LAYERTEC是一个在生产激光反射镜方面具备深厚能力的厂商,Layertec镜片损伤阈值方面当然也少不了的。此文简单讲述了符合ISO 11254标准的损伤阈值LIDT含义和影响因素(光束直径,材料特性和热破坏等),另外,激光的类别(脉冲激光,连续激光等)和不同测量方法也影响着激光损伤阈值的大小。


Lyaertec 列了4个不同脉宽区域损伤阈值LIDT的主要影响因素:

连续激光CW-Lasers(指脉宽>100ms)和Long Pulse长脉冲(指脉宽大于100ns,小于100ms):在这两个区域,主要影响损伤阈值LIDT的因素有热破坏,熔点、热传递和镀膜纯度等;

短脉冲(指脉宽大于10ns,小于20ps):在短脉冲区域,脉冲持续时间可能会导致激光诱导损伤阈值LIDT高达25%的误差;

超短脉冲(指脉宽小于1020ps):在超短脉冲区域的损伤阈值LIDT主要取决于带隙(band gap),即材料特性(material properties)。


1、Long Pulse and CW-Lasers长脉冲,连续激光:


平均功率高的长脉冲Long pulse with high average power的损伤原理:

- 由于杂质、结构缺陷和材料固有特性造成的吸收:局部加热,热破坏

- CW激光和长脉冲激光的激光诱导损伤阈值LIDT主要取决于:熔点(melting point)、热传递(heat transfer)和镀膜纯度(purity of the coating

- 连续激光的损伤阈值单位是W/cmW/cm2

- 长脉冲激光的损伤阈值单位是J/cm2W/cm2

LIDTcw [kW/cm2] ~ 10 LIDTlong pulse [J/cm2]


如上图,右边图示展现出基底内的充分热传导,由此元件可承受激光束的照射,并未受到损坏;左边图示展现出热量传输不足导致热量积聚,因此导致元件受到热破坏并损坏。


deff=有效光束直径 [cm]

Emax=最大功率密度[W/cm2]


(由上图看出,在激光功率相同的情况下,光束直径越大,损伤阈值LIDT越小。由此可知,光束直径也是影响损伤阈值Laser-Induced Damage ThresholdLIDT)的因素之一)。


2、Short Pulses – Pulse Length Scaling短脉冲-脉冲长度缩放(单位:J/cm2):


将LIDT测试数据缩放为另一种脉冲持续时间可能会导致高达25%的误差。


20ps ≤ τ ≤ 100ns  τ=脉冲持续时间

参考文献:Stuart, B.C., et al.; Laser-induced damage in dielectrics with nanosecond to subpicosecond pulses; Phys. Rev. Lett., 74, 2248-2251; 1995


3、Ultra-Short Pulses – Temporal Pulse Shape超短脉冲-时间脉冲波形(单位:W/cm2,J/cm2):


峰值脉冲功率高的短脉冲的损伤原理:

- 由于电子从价带转移到导带而产生的吸收:电离、电子破坏(Electronic destruction)

- 超短脉冲区域的损伤阈值LIDT主要取决于带隙(band gap),即材料特性(material properties


脉冲强度(pulses intensity)越来越短,成为LIDT的关键。

Intensity [W/cm2]:          Fluence [J/cm2]:


qA=横向光束质量因子Lateral beam quality factor

qt=时间波束质量因子

A=半宽区域

P=平均波束功率

R=重复率

t=半宽脉冲持续时间


说明LIDT值的质量因素:

- 时间脉冲形状qt:时间FWHM范围内的能量分数

- 横向波束形状qA:横向FWHM范围内的能量分数

由于每种fs设置都有非常独特的脉冲形状,因此比较使用不同设置测量的fs-LIDT值至关重要。

光束直径是能够影响损伤阈值LIDT的一个重要参数:

损伤阈值LIDT通常与光束光斑面积存在一定的关系,较大的光束可能会出现更多的缺陷,这很可能会导致损坏阈值LIDT变小。


以下型号是厂家测过损伤阈值的镀膜层型号:

客户可根据波长找出表里相应的镀膜涂层型号,再根据涂层型号到Layertec官网搜索,找出库存镜片型号。

涂层型号

参数

LIDT

脉冲持续时间,重复率

直径

测试方法

139691

HRs,p(0–10°,725-875nm)>99.9%

GDD-Rs,p(0–10°,725-875nm)<50fs2

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

2J/cm2;800nm

70fs; 10Hz

Ø700µm

HZDR Dresden

140876

HRs,p(010°,750 850nm)>99.5%

GDD-Rs,p(010°,750850nm)<60fs²

1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

2J/cm2;800nm

30fs; 10Hz

Ø700µm

HZDR Dresden

140872

140875

S2:Coating 140872

HRs,p(0–10°,725–875nm)>99.9%

Rs,p (0–10°,500–545nm)<2%

GDD-Rs,p(0–10°,725-5nm)<40fs²

S1:Coating 140875

ARs,p(0–10°,500–545nm)<0.2%

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

139693

HRs,p(45°,740–860nm)>99.9%

GDD-Rs,p(45°,740–860nm)<75fs²

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

139710

HRs,p (22.5°,725–875nm) > 99.9%

GDD-Rs,p(22.5°,725–875nm)<75fs²

2J/cm2;800nm

70fs; 10Hz

Ø700µm

HZDR Dresden

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

139711

HRp (45°,725–875nm) > 99.8%

GDD-Rp(45°,725-875nm)=-40(±30)fs²

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.1J/cm2;800nm

128fs; 4.3MHz

Ø15µm

WRCP Budapest

140881

HRs (45°,730–870nm) > 99.8%

HRp (45°,760–840nm) > 99.5%

GDD-Rs,p (45°,760–840nm)< 80fs²

0.9J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

1.0J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

3J/cm2;800nm

30fs; 10Hz

Ø830µm

HZDR Dresden

139943

Ag+Multilayer

HRs,p (0–45°,725–875nm)>98%

GDD-Rs,p (45°,725 –875nm)<40fs²

0.9J/cm²;800nm

40fs; 1kHz; AOI 0°

Ø80µm

WRCP Budapest

140884

HRs,p (0 –10°,725 –875nm) > 99.9%

GDD-Rs,p(0-10°,725-875nm)=-40(±10)fs²

0.2J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141560

+141561

HRs,p (0–10°,725–875nm) > 99.9%

GDD-Rs,p(0-10°,725-875nm)=-80(±40)fs²

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

140988

+140990

HRs,p (0–10°,725–875nm) > 99.8%

GDD-Rs,p(0-10°,725-875nm)=-40(±20)fs²

0.2J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141570

+141571

HRs,p (0–10°,725–875nm) > 99.8%

GDD-Rs,p(0-10°,725-875nm)=-110(±50)fs²

0.2J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

140890

S2+S1: Coating 140890

ARs,p (0 –15°,725 – 875nm) < 0.2%

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.5J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141318

HRs,p (0–10°,670–970 nm) > 99.9 %

GDD-Rs,p(0-10°,670-970nm)=-50(±75)fs²

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

136768

S2:Coating 136768+136769

HRs,p (0–10°,670–970 nm) > 99.8%

Rs,p (0–10°,510–535nm) < 10 %

GDD-Rs,p(0–10°,680–960nm)=-50(±150)fs²

S1: Coating 140875

ARs,p (0–10°,500–545nm) < 0.2%

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141503

HRs,p (22.5°,670–970 nm) > 99.8%

GDD-Rs,p(22.5°,670-970nm)=-200…+200fs²

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141507

HRs (45°,670–970 nm) > 99.9%

GDD-Rs(45°,670–970nm)=-200 … +200 fs²

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141520

HRp (45°,670–970 nm) > 99.8%

GDD-Rp (45°,670–970 nm) = -200 … 0fs²

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141522

HRs,p (45°,670–970 nm) > 99.7%

|GDD-Rs,p (45°,670–970 nm)| < 1500fs²

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141523

Ag+Multilayer

HRs,p(0–45°,670–970 nm) > 97%

|GDD-Rs,p(0–45°,670–970 nm)| < 50fs²

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

1.5J/cm2;800nm

30fs; 10kHz

Ø700µm

HZDR Dresden

137180

+137181

HRs,p (0–10°,670–970 nm) > 99.8%

GDD-Rs,p(0-10°,680-960nm)=-50 (±150)fs²

0.1J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.25J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

141528

S2+S1: Coating 141528

ARs,p (0–15°,670–970 nm)<0.25%

0.4J/cm2;800nm

40fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

0.5J/cm2;800nm

128fs; 1kHz

Ø15µm

WRCP Budapest

139374

HRs,p (0–10°,1030–1042nm) > 99.99%

GDD-Rs,p (0–10°,1030–1042nm)<20fs²

3J/cm2;1030nm

10ps; 1kHz

Ø50µm

LIDARIS Vilnius

141321

HRs,p (0–10°,1030–1064nm) > 99.95%

50J/cm2;1064nm

7ns

Ø270µm

LAYERTEC

141325

S2:Coating 141325

HRs,p (0–10°,1030–1064nm) > 99.95%

Rs,p (0–10°,808nm) < 2%

S1:Coating 141355

ARs,p (0–10°,808nm) < 0.2%

30J/cm2;1064nm

7ns

Ø270µm

LAYERTEC

141329

HRs,p (45°,515 –532nm) > 99.9%

10J/cm2;532nm

7ns

Ø270µm

LAYERTEC

141327

HRs,p (45°,1030 –1064nm) > 99.95%

50J/cm2;1064nm

7ns

Ø270µm

LAYERTEC

140770

Au unprotected

HR (0°,800–20000nm) > 98%

HRs (45°,800–20000nm) > 98%

HRp (45°,800–20000nm) > 97%

0.5J/cm2;795nm

42fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

140780

Ag+protection layer, fs-opt. 600–1000nm

HR (0°,600–1000nm) > 97%

HRs (45°,600–1000nm) > 96%

HRp (45°,600–1000nm) > 96%

GDD-Rs,p (0–45°,600–1000nm)<10fs²

5J/cm2;1064nm

7ns; 10Hz

Ø480µm

LAYERTEC

0.7J/cm2;795nm

42fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest

140831

Ag+protection layer, fs-opt. 800–2000nm

HR (0°,800–2000nm) > 97%

HRs (45°,800–2000nm) > 98%

HRp (45°,800–2000nm) > 97%

GDD-Rs,p (0–45°,800–2000nm)<5fs²

5J/cm2;1064nm

7ns; 10Hz

Ø480µm

LAYERTEC

0.7J/cm2;795nm

42fs; 1kHz

Ø80µm

WRCP Budapest











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