激光诱导损伤阈值（LIDT）的原理与影响因素_LAYERTEC

作者：时间：2023-12-11

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/cm和W/cm²

- 长脉冲激光的损伤阈值单位是J/cm²和W/cm²

LIDT_cw [kW/cm²] ~ 10 LIDT_long
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。

d_eff=有效光束直径 [cm]

E_max=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 Threshold（LIDT）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]:

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

q_t=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q_t：时间FWHM范围内的能量分数

- 横向波束形状q_A：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
139691		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
140876	HRs,p(010°,750 850nm)>99.5% GDD-Rs,p(010°,750850nm)<60fs²	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
139710		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
139711		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
140884		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
141560 +141561		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
140988 +140990		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
141570 +141571		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
140890	S2+S1: Coating 140890 ARs,p (0 –15°,725 – 875nm) < 0.2%	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
141318		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
136768		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
141503		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
141507		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
141520		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
141522		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
141523		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
137180 +137181		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
141528	S2+S1: Coating 141528 ARs,p (0–15°,670–970 nm)<0.25%	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
140780		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
140831		0.7J/cm2;795nm	42fs; 1kHz	Ø80µm	WRCP Budapest

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