文/Olivia Wheeler，Edmund Op。ti。cs。

图1。

图1：激光诱导的危害机制，在脉冲持续时间尺度上存在显着差异。较长的脉冲，包含持续时间为纳秒的脉冲，首要经过热效应构成危害。跟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首要的危害机制。[2]。

跟着激光技能的不断发展，光学。元件也有必要不断进步，以满意。高精度。运用所需求的严苛。标准。。超快激光术的强壮力气，彻底改变了医疗程序、微加工、根底科学研究和许多其他范畴。关于曾经由纳秒激光器主导的职业和运用，选用超快激光器会面对一些应战，包含光学元件的激光危害阈值显着不同。为了保证激光体系的功率和寿数，了解激光危害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。

激光危害阈值（LDT），有时也称为激光诱导的危害阈值（LIDT），是为任何激光体系挑选光学元件时需求评价的一个要害。参数。。ISO 21254将LDT界说为“入射到光学元件上的最大激光辐射量，并估测其对光学元件的损坏概率为零”。[1]这个界说看起来很简单，但实践的LDT值取决于光学元件自身性质之外的各种要素。特别地，当在纳秒（10-9s）与飞秒（10-15s）脉冲持续时间下进行评价时，光学元件的LDT或许会改变几个数量级。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危害机制天壤之别（见图1）。

纳秒激光危害机制。

与飞秒脉冲比较，纳秒激光的长脉冲首要经过热机制对光学元件构成危害。激光将很多能量堆积到光学元件的材猜中，然后引发激光入射部位内的部分加热。这种加热或许直接引发熔化，也或许经过热膨胀和由此发生的。机械。应力引起一些结构改变。这种应力或许会持续导致开裂，乃至导致涂层彻底与基材别离。[3]。

除了涂层资料被直接加热外，纳秒激光照射下的光学元件对涂层内的缺点特别灵敏。这些缺点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。因而，这些缺点区域会更快地升温，在发生灾难性激光危害的情况下，这些缺点会从涂层中爆破出来。这种剧烈的危害机制一般会在光学元件外表留下弹坑，以及在危害事情发生后当即从头堆积在外表的一些颗粒物（见图2）。

图2。

图2：532nm纳秒脉冲激光发生的激光危害。这种危害是由光学元件涂层内的缺点引起的，导致元件外表上呈现了弹坑和再堆积的颗粒物。[4]。

因为这些缺点点位会引发激光危害，所以关于特定的光学元件，缺点的存在率越高，LDT一般越低。因而，与纳秒激光器一同运用的光学元件，要将要点放在光学元件的外表质量上。而且，纳秒时间尺度的LDT测验，是一个高度计算的进程。光学外表上任何给定方位的损坏概率，是由许多相关要素引起的，包含入射光束的巨细、缺点方位的散布和密度，以及固有的资料特点。这些多种影响要素，也解说了为什么纳秒LDT值在同一涂层的不同批次之间或许存在显着差异。LDT或许会遭到基材抛光和制备的不一致性、实践涂层堆积进程中的动摇、乃至是涂层后贮存条件改变的影响。

纳秒级LDT的各种影响要素，与构成飞秒激光危害的首要机制构成鲜明对比，飞秒激光危害首要与所运用的涂层资料有关。[3]。

飞秒激光危害机制。

飞秒激光的超快脉冲经过不同的机制引起危害，部分原因是它们发生的峰值功率十分高。即便纳秒和飞秒激光具有相同的脉冲能量，可是因为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。即便入射激光脉冲的光子能量低于这种跃迁（即所谓的资料带隙），超快激光脉冲的峰值通量也很高，以至于电子一次能够吸收多个光子。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危害途径。

隧穿电离也或许是飞秒激光照射下的危害途径。这种现象发生在超快激光脉冲发生的十分强的电场下，这种电场十分强，以至于入射电场实践上歪曲了导带的能量，这使得电子能够从价带隧穿。一旦满意的电子被激发到导带，入射辐射就开端将能量直接。耦合。到自由电子中，然后导致涂层资料的击穿。[3]。

因为这些危害途径，飞秒LDT比纳秒LDT更具确定性。激光危害本质上是在飞秒激光的必定输入通量下“敞开”的，该通量与所涂覆的介电涂层资料的带隙成份额。这与纳秒激光危害的概率性构成鲜明对比（见图3）。

图3。

图3：在4ns（左）和48fs（右）脉冲条件下取得的LDT测验成果。纳秒危害曲线的陡峭斜率反映了丈量的概率性，而向100%危害概率的急剧改变反映了飞秒激光危害确实定性机制。

与纳秒激光危害途径比较，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，实践上比资料结构内热分散的时间尺度要快。因而，飞秒脉冲不会将能量作为热量堆积到涂层材猜中去，因而也不会像纳秒激光脉冲那样发生热膨胀和机械应力。因为这些切当的原因，超快激光在许多需求高精度切开和符号的运用中具有极大优势，[5]例如用于制作心血管支架。[6]。

挑选正确的光学元件。

就像它们的脉冲持续时间相同，纳秒和飞秒脉冲的典型LDT值或许相差几个数量级。当用100fs脉冲丈量时，一般激光镜的LDT值或许约为0.2J/cm2；但用5ns脉冲丈量时，该光学元件的LDT或许更挨近10J/cm2。这些不同的值或许首要令人担忧，但它们不过是表明晰在这些时间尺度上的危害机制天壤之别。

出于相同的原因，在大时间尺度上运用LDT计算器时要分外当心。一般来说，跟着脉冲持续时间的延伸，LDT会变大。可是将LDT值从习惯飞秒脉冲调整到习惯纳秒脉冲，或是从习惯纳秒脉冲调整到习惯飞秒脉冲，很或许会导致光学元件损坏。最好的做法是挑选一种具有适宜LDT额定值的光学元件，而且该额定值是在尽或许挨近您的实践运用条件下（包含波长、重复频率和脉冲持续时间）取得的。

小结。

激光技能将持续发展，以满意更高精度的需求。跟着这些新技能的构成，了解激光危害机制的差异（以及在特定时间尺度上哪些危害占主导地位），关于为实践运用挑选适宜的光学元件将越来越重要。了解这些差异不只能够进步在用的激光体系的功率和寿数，还能够无缝习惯未来更先进的激光体系。

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