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衍射光学元件的损伤阈值

作者:原创 时间:2018-08-25

       

 目前,衍射光学元件在高端激光加工设备中的应用越来越普遍,能够现实极佳的光学加工效果。随着激光器技术的发展,平均功率和峰值功率越来越大,许多系统集成商和用户担心,衍射光学元件(DOE)可能无法承受这么高的功率。因此,激光损伤阈值(LIDTLDTlaser induced damage threshold)的参数是选择光学元件时重要的参数之一。

镜片的损伤在不同波长下对应不同的机理,激光波长覆盖了很宽的范围(从紫外到远红外)和时间范围(超快到持续波),下表列出了不同的激光对应不同的损伤原理。

超短脉冲

t <0.5 [ns]

纳秒脉冲

0.5 [ns] <t <100 [ns]

连续波(CW

t> 1 [μs]

损伤类型

介电击穿

介电击穿

材料过热,导致化学降解

雪崩电离

·对于高脉冲重复率,可能会出现热效应,类似于CW光束。

 

在实际应用中,有三个主要影响衍射光学元件损伤阈值的因素。

1)制造工艺 - 原材料和制造过程中的缺陷。

选择具有高光学质量(表面质量20-10 Scratch-Dig或更好的熔融石英)的基片。整个制造过程在洁净无尘的实验室中,还会对每个元件进行缺陷检查。

2)镀膜层 - AR镀膜层中的污染物。

使用具有高QA的离子辅助沉积(IAD)抗反射(AR)膜层。

3)使用 - 热恢复期,元件的使用环境以及清洁和维护方式。

 

衍射光学元件DOE的激光损伤阈值测试(LASHARE EU project

实验方法:在实际生产环境中(非洁净室)用激光照射DOE8个不同位置,并持续增加每一束激光的功率,如果镜片表面没有损伤,则表示当前功率密度在损伤阈值之下,一旦出现打坏的情况则说明此时超过了损伤阈值。


测试流程:

波长

1030 [nm]

重复频率

800 [kHz]

脉宽

6 [ps]

空间脉冲形状

高斯光

时间脉冲形状

高斯光

照射持续时间

30 [s]

照射位置P.

1, , 8

每个位置P的照射间隔

5 [s]

每个位置P之间的距离

~1 [mm]

焦点直径 (表面)

70 [um]

重复实验次数

5

用于测试的DOE参数:

材料:紫外熔融石英

表面质量:20-10 Scratch-Dig(或更好)

镀膜性能:Ravg <0.2

DOE的镀膜类型

这里准备了三组不同的DOE进行测试,无增透膜、单面镀膜(非衍射面)和双面镀增透膜。

 

测试结果:

激光照射后保存左图的状态则认为没有明显的损伤,而出现右图变色或损坏的状态则表明DOE被损伤。这种损伤有可能发生在平坦的区域或者光栅区域。

 

无增透膜

单侧镀膜

双面镀膜

未损伤

损伤

未损伤

损伤

未损伤

损伤

功率(平均值)[W]

57

58

62

64

53

54

能量密度)[J/cm2]

1.95

1.98

2.12

2.18

1.81

1.84

峰值功率密度 [GW/cm2]

1297

1320

1411

1457

1206

1229

每组产品都有一列未损伤的数值和损伤的数值,未损伤的数值表示在未检测到DOE损伤的情况下测量的最高功率/能量值。损伤的数值列表示实验过程中让DOE产生损伤的功率值。

从这个表格可以看出DOE的损伤阈值大概在1200GW/cm2,是否镀增透膜对损伤阈值的影响不大,未镀增透膜的DOE实际上是纯石英结构,用户使用最多的镀双面增透膜DOE损伤阈值之比未镀膜的DOE低不到10%

 

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