光学玻璃体激光损伤

大多数关于激光诱导损伤阈值（LIDT）的文献，包括Edmund Optics®之前发表的，都专注于与表面损伤有关的问题（见图1）。这种关注是合理的，因为从历史上看，光学组件的LIDT通常受限于电介质涂层和表面质量，而非体积损伤。然而，随着纳米结构抗反射表面的近期发展，电介质涂层并非总是必需的。对于这些新型光学元件，LIDT现在趋近于玻璃的体积损伤阈值。由于缺少表面涂层、污染物和缺陷，表面通过与玻璃内部相同的机制发生破坏。因此，探究光学玻璃体积损伤的潜在原因非常重要，以便更好地理解为什么具有纳米结构抗反射特性的光学器件的LIDT要高得多。

具有传统薄膜抗反射涂层的激光光学器件的表面激光诱导损伤未涂覆的光学器件，例如具有纳米结构抗反射表面的光学器件，具有更高的LIDT，接近于块状材料的LIDT。

体积损坏的原因

体积LIDT不仅与激光的峰值功率成正比，还与波长、光束直径以及最重要的脉冲持续时间成比例。要直观理解这些参数为何如此重要，我们不妨考察吸收概率密度函数：

在该方程式中，W_i代表的是光子在导带中被吸收并产生电子的几率，ϕ表示平均光子通量密度，而σ代表跃迁截面，它是激光频率ν的函数。需要特别注意的是，虽然跃迁截面与吸收系数成正比，且在大部分玻璃的光学光谱范围内极其微小，但它并非为零。因此，一旦激光强度达到一定程度，就会发生明显的吸收现象，引起局部升温。特别是对于含有生产过程中可能沉积的铂等夹杂物的光学玻璃来说，这一现象尤为显著。

当足够数量的电子从价带被激发到导带，导致材料中自由电子密度增大到足以触发非线性吸收和引发电子雪崩电离时，就会发生光学击穿（体积损伤）。在雪崩电离过程中，多光子吸收与碰撞电离的共同作用加深了LIDT对波长的依赖性，这是因为根据下述关系，临界自由电子密度与激光频率的平方呈正比：

在该关系式中，n表示临界自由电子密度，ε代表材料的介电常数，m_c指的是导带中电子的折合质量，e为电子的电荷量。

尽管由雪崩电离引起的热击穿是q-switched激光器光学击穿的主要原因，但并非对所有脉冲激光器都适用。对于脉宽小于大约20皮秒的锁模激光器而言，主导的物理现象不同。超快激光脉冲如此之短，以至于材料来不及通过局部吸收产生热效应。相反，体积光学损伤是由一种称为库仑爆炸的过程导致的。库仑爆炸发生时，积聚的静电力足以断裂分子键，并在超快激光脉冲内的极高电场下导致晶格破裂。

LIDT刻度

脉冲持续时间

通常而言，由雪崩电离导致的LIDT大致与脉冲持续时间的平方根Tp^1/2成正比。这是因为多光子吸收过程与光强度的平方相关，因而也与脉冲持续时间的平方根相关。当库仑爆炸变成主导的损坏机制时，LIDT不再与Tp^1/2成正比。在这种情况下，随着脉冲持续时间的缩短，LIDT会继续下降，但下降速度会减缓。

• 波长

LIDT随着波长的增加而减少，但并非直接成正比。相反，LIDT是由平均光子通量密度、跃迁截面和临界自由电子密度的卷积结果决定的，这些参数都与波长有关。例如，磷酸二氢钾（KDP）在1064纳米和3纳秒脉冲持续时间下的体积LIDT为24 J/cm²；在**谐波（532纳米）下，LIDT降至20 J/cm²；在第三谐波（355纳米）下，LIDT为11 J/cm²；而在第四谐波（266纳米）下，LIDT为

这导致从1064纳米到532纳米的缩放因子为0.83，从1064纳米到355纳米为0.46，从1064纳米到266纳米为0.13，这突显了确定单一波长依赖性缩放因子的难度。KDP的LIDT波长缩放与其它光学材料相当，如块状和抗反射涂层熔融石英，其在1064纳米至355纳米之间的缩放因子已被证明在0.42到0.56之间。

• 光束直径

光束直径与激光损伤阈值（LIDT）之间的比例关系更难以预测。这是因为，与直觉相反，较小的光束直径并不会导致较低的LIDT。这主要有两个原因。首先，LIDT是由辐照度规定的，其单位是焦耳每平方厘米（J/cm²），因此光束直径已经包含在数值中了。实际上，在大多数情况下，较小的光束直径最终导致更大的LIDT，因为光束会与光学路径中的更少杂质相互作用。虽然我们在这里不会详细讨论这些效应，但必须指出，确定材料中实际的光斑大小可能相当具有挑战性，因为需要考虑高斯光束的特性以及自聚焦等非线性效应。更多信息可以在我们关于光束直径对激光损伤阈值重要性的应用说明中找到。

• 激光发射次数

体积LIDT可能依赖于照射在玻璃上的激光发射次数。这是因为一些玻璃，例如BK7，从导带到价带的衰减寿命足够长，足以让脉冲之间电子累积。这可以通过观察激光脉冲期间发生的体积损伤点来实验性地观察到。然而，并非所有材料都表现出这种特性。例如，熔融石英似乎没有显示出发射次数与体积损伤阈值之间的任何相关性。值得注意的是，桑迪亚国家实验室的实验表明，BK7的单次发射体积LIDT为4,125焦耳每平方厘米（J/cm²），但在仅仅31次脉冲后，BK7下降到3,289 J/cm²。相比之下，无论发射次数如何，熔融石英保持在3,800 J/cm²不变。这两项测试都是使用8纳秒（ns）脉冲持续时间、1064纳米（nm）激光以及在焦点处直径为8-16微米（μm）的聚焦光斑进行的，从而促成了两种材料之间的合理比较。

我们的激光诱导损伤阈值比例计算器可以大致将LIDT值从一个波长、脉冲持续时间和光束直径转换为一组新的使用参数。

常见玻璃的体积激光损伤阈值

在2013年的一份新闻稿中，肖特公司发布了一份相当全面的常见光学玻璃体积损伤阈值分析。该实验使用了两种不同的1064纳米激光，一种脉冲持续时间为12纳秒，另一种为74皮秒。在每种情况下，他们都报告了基频和谐波的LIDT，为每种玻璃提供了四个不同的体积LIDT值。该实验的焦点处的光斑尺寸（33-41微米）比前一节中呈现的数据要大得多，导致LIDT略低。此外，肖特公司的数据是使用Suprasil CG熔融石英测量的，而早期数据则是从康宁7940熔融石英收集的。下表显示了肖特公司报告的每种玻璃的多脉冲（>1,800次脉冲）体积LIDT的最终结果。9, 10表1中所示的体积损伤阈值在实践中可能会因包括玻璃化学成分的变化、光学组件的有限厚度等因素而有所不同。即使没有发生体积激光诱导损伤，由于表面层面效应，光学元件也可能显现出损伤。如果您对特定光学元件的LIDT不确定，请联系我们。

表1：高功率激光应用中常用光学玻璃的激光损伤阈值比较。

理解体积激光诱导损伤

现在我们已经对导致光学材料体积损伤的潜在物理现象、涉及的众多变量以及比例关系有了坚实的理解，我们可以开始更好地理解表1中显示的结果。数据清楚地表明，正如预期的那样，随着波长和脉冲持续时间的减少，LIDT显著降低。此外，在大多数情况下（除了532纳米下的SF6），体积LIDT阈值远高于表面LIDT。数据还表明，总体而言，对于高功率激光应用，冠玻璃比燧石玻璃更可取。通常，在广泛的激光参数范围内，熔融石英的性能都优于这两类玻璃.

当与典型的V型涂层熔融硅激光窗口比较时，体积和表面LIDT之间的差异变得更加明显，后者通常在数十焦耳每平方厘米的量级。此外，研究表明，对于熔融硅而言，如果表面抛光良好且未涂层，表面LIDT大约等于体积LIDT。因此，具有纳米结构抗反射表面的熔融硅激光光学元件的LIDT显著高于传统V型涂层光学元件。