文/Olivia Wheeler,Edmund Optics
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2:532nm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: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。 参考文献 1. See www.iso.org/standard/43001.html. 2. S. S. Mao et al., Appl. Phys. A, 79, 1695 (2004). 3. D. Ristau et al., Thin Solid Films, 518, 1607 (2009). 4. N. Carlie and K. Firestone, Laser Focus World (2019); www.laserfocusworld.com/14035451. 5. S. Lei et al., J. Manuf. Sci. Eng., 142, 1 (2020). 6. A. G. Demir and B. Previtali, Biointerphases, 9, 029004 (2014).
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