【激光技術(shù)分享】超快激光損傷閾值問題研究（1）
超快激光器，特別是飛秒激光器脈沖寬度很短，一般具有高峰值功率的優(yōu)點。這是許多科研工作者選擇飛秒激光器作為研究工具的理由之一。而在使用過程中，用戶常常會發(fā)現(xiàn)配合飛秒激光器使用的光學元件，包括反射鏡、分光片、濾光片等等非常容易打壞。這當然也是因為飛秒激光器的高峰值功率造成的。那么為了安全使用飛秒激光器和保護光學元件，大家第一時間考慮到的是確認光學器件的損傷閾值。而我們?nèi)ゲ榭春芏喙鈱W元件的損傷閾值會發(fā)現(xiàn)，廠商往往會提供以下兩種損傷閾值參數(shù)：
1. 連續(xù)激光損傷閾值參數(shù)（常見單位為：W/cm2）大多數(shù)廠商都能夠提供這一類損傷閾值參數(shù)。
2. 脈沖激光損傷閾值參數(shù)（常見單位為：J/cm2, 同時標明重復頻率和脈沖寬度）
有一些元器件廠商在給出連續(xù)激光損傷閾值參數(shù)的同時，也能夠給出脈沖激光損傷閾值參數(shù)。但給出的測試條件一般為幾納秒到幾十納秒，重復頻率幾十Hz。這是因為很多元器件廠商并不具備飛秒激光測試能力，因此也無法提供有效的飛秒脈沖損傷閾值參數(shù)。一般來說，光輻射對光學元件的損傷主要有三種形式：一是因光吸收導致的熱效應；二是短脈沖激光輻射下造成的介質(zhì)電離擊穿；三是超短脈沖激光下，因極高的峰值功率而直接導致的物質(zhì)化學鍵破壞。
連續(xù)激光造成光學元件損傷的機理明顯屬于第一類，而超短脈沖激光造成光學元件損傷的機理應當歸為二三類。由此可以發(fā)現(xiàn)，兩類激光致傷的機理完全不同。因此廠商提供的連續(xù)激光和長脈沖激光的損傷閾值參數(shù)，在我們使用飛秒激光器進行實驗時并不具備足夠的參考價值。而令人欣慰的是，有一些致力于材料和鍍膜研究的科研人員已經(jīng)進行過了一系列具有參考價值的激光破壞性實驗，提供的實驗數(shù)據(jù)可以作為大家進行器件選擇和實驗設計的重要參考。本篇我們將主要介紹來自美國俄亥俄州立大學物理系KYLE R. P. KAFKA所在實驗組帶來的損傷閾值測試實驗過程和結(jié)果。
一、實驗設計
該測試實驗的過程實際上非常簡單，實驗者將激光脈沖進行聚焦，然后將不同的光學元件置于焦點處進行測試，調(diào)整激光能量的同時觀察光學元件的受損情況。最終給出了相應的實驗數(shù)據(jù)。
圖1. 超快激光沖擊破壞實驗裝置圖
如圖1所示，該實驗組采用的光源為一套3mJ，500Hz，35fs的超快激光器，實驗者取了其中0.5mJ的激光脈沖注入充有惰性氣體的空芯光纖中進行光譜展寬，經(jīng)過啁啾鏡組有壓縮后得到了周期量級的飛秒激光，脈沖能量為0.35mJ。
實驗組在真空和空氣中都進行了實驗，由于實驗使用的激光脈沖非常短，實驗者在真空中實驗時對聚焦前經(jīng)過的真空窗口片的色散進行了預補償，最終在樣品處的脈沖寬度都保持在5-6fs左右。用來聚焦的元件為一片焦距為150mm的曲面銀鏡，焦點處的束腰半徑為15微米。焦斑處的損傷情況通過一束連續(xù)的He-Ne激光采樣后導入探測設備中觀察。
二、實驗樣品
以下為他們測試的樣品列表：
圖2. 測試樣品列表
前五項產(chǎn)品都來自Spectra-Physics FemtoOptics product line，包括寬譜啁啾鏡、寬譜反射銀鏡、不同比例的寬譜分束鏡。
最后一項熔石英基底來自MTI Corp.
三、試驗方法
測試過程采用的方法為單發(fā)測試F1和1000發(fā)測試F1000。在每個能量條件下，實驗組在元件上分立的選取10-20個點，用測試激光進行單次或一千次沖擊，用造成破壞的數(shù)量除以總實驗數(shù)得到損傷可能性P（damage probability）。下圖為測試中的兩個例子。部分元件的測量結(jié)果如右圖，損傷可能性P只有0和1的差別，分界線比較好判斷；而其他一些元件的測試結(jié)果像左圖這樣，損傷可能性P隨能量密度的增加是一個漸變的曲線，因此實驗組統(tǒng)一選取開始出現(xiàn)損傷的位置為分界線。兩種情況下的分界線就作為該條件下該測試元件的損傷閾值結(jié)果。
圖3. 測試實例
熔石英片本身因為沒有鍍膜，因此評價標準與其它鍍膜元件有所不同，它損傷的判斷依據(jù)為激光在熔石英片表面造成的坑的深度。實驗組針對不同的測試元件，采用了多種儀器對測試元件表面的損傷進行判斷，包括：
1. Optical microscope
2. Interferometric surface profiler
3. Atomic force microscope (AFM)
4. Scanning electron microscope（SEM）
四、損傷閾值結(jié)果（我知道大家一定最想看這部分）
圖4. 實驗結(jié)果
注意：這里的熔石英的損傷閾值是除以10倍的結(jié)果，主要是為了和其它元件的結(jié)果放到一起。
通過測試結(jié)果的圖表我們可以看到，1000發(fā)的損傷閾值F1000要明顯低于單發(fā)的損傷閾值F1，對于不同的測試元件差別在20%-50%左右。對于熔石英片來說，無論真空還是空氣條件下，F1000/F1都在0.57左右。在相同的測試條件下，一般來說反射率越高的器件，損傷閾值越低。但這里啁啾鏡和銀鏡的表現(xiàn)卻比較反常，這可能是由于它們的反射率相差很?。ň?gt;98%），而鍍膜設計相差較大。比如說DE-Ag I型的銀鏡的外表面第一層鍍膜的折射率要高于DE-Ag II型銀鏡，而折射率高的材料相應的損傷閾值會更低，這是由于在該測試條件下造成器件損傷的原因為介質(zhì)電離。測試激光是否為周期量級脈沖也是一個很關(guān)鍵的影響因素。對于非周期量級飛秒激光，光學器件的損傷閾值提升了1/2至1/3（根據(jù)不同的器件而定）。我們本期已經(jīng)簡要介紹了KYLE R. P. KAFKA等人關(guān)于周期量級激光脈沖沖擊下光學元件的損傷閾值研究的實驗過程和數(shù)值結(jié)果，未來我們將繼續(xù)帶來他們關(guān)于光學元件損傷情況的圖像分析，畢竟都用到AFM和SEM了，結(jié)果分析還是相當有趣的。
PS：關(guān)注本公眾號后臺回復：“超快激光損傷閾值問題研究（1）文獻”可獲得本篇內(nèi)容參考文獻信息
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