Зеркала прямоугольной призмы, лазерные линии Nd: YAG

1. Учебник по лазерному порогу повреждения
2. Метод тестирования
3. Непрерывные волны и длинноимпульсные лазеры
4. Импульсные лазеры

Справочные характеристики - это данные измерений для призменных зеркал Nd: YAG для лазерных приборов Thorlabs.

Учебник по лазерному порогу повреждения

Ниже приведен общий обзор того, как измеряются пороги повреждения, вызванного лазером, и как эти значения могут быть использованы при определении пригодности оптики для данного применения. При выборе оптики важно понимать порог лазерного повреждения (LIDT) используемой оптики. LIDT для оптики в значительной степени зависит от типа используемого вами лазера. Непрерывные (CW) лазеры обычно вызывают повреждение от тепловых воздействий (поглощение либо в покрытии, либо в подложке). Импульсные лазеры, с другой стороны, часто удаляют электроны из решетчатой ​​структуры оптики, прежде чем вызвать тепловое повреждение. Обратите внимание, что представленные здесь рекомендации предполагают работу при комнатной температуре и оптику в новых условиях (т. Е. В пределах спецификаций по царапинам, поверхности без загрязнений и т. Д.). Поскольку пыль или другие частицы на поверхности оптического элемента могут привести к повреждению при более низких пороговых значениях, мы рекомендуем держать поверхности чистыми и свободными от мусора. Для получения дополнительной информации о чистке оптики, пожалуйста, смотрите наш Учебник по очистке оптики ,

Метод тестирования

Тестирование Thorlabs LIDT проводится в соответствии со спецификациями ISO / DIS 11254 и ISO 21254.
Во-первых, луч малой мощности / энергии направляется на тестируемую оптику. Оптика в 10 местах подвергается воздействию этого лазерного луча в течение 30 секунд (CW) или для нескольких импульсов (указана частота повторения импульсов). После воздействия оптика исследуется под микроскопом (увеличение ~ 100Х) на наличие видимых повреждений. Количество мест, которые повреждены на определенном уровне мощности / энергии, записывается. Затем мощность / энергия либо увеличивается, либо уменьшается, и оптика открывается в 10 новых местах. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не наблюдается повреждение. Пороговое значение повреждения затем назначается наивысшей мощностью / энергией, которую оптический элемент может выдержать, не нанося ущерба. Гистограмма, подобная приведенной ниже, представляет тестирование одного зеркала BB1-E02.

Пример тестовых данных Fluence # проверенных местоположений местоположений с повреждениями местоположений без повреждений 1,50 Дж / см2 10 0 10 1,75 Дж / см2 10 0 10 2,00 Дж / см2 10 0 10 2,25 Дж / см2 10 1 9 3,00 Дж / см2 10 1 9 5,00 Дж / см2 10 9 1

Согласно тесту, порог повреждения зеркала составлял 2,00 Дж / см2 (532 нм, импульс 10 нс, 10 Гц, Ø0,803 мм). Помните, что эти тесты проводятся на чистой оптике, поскольку грязь и загрязнения могут значительно снизить порог повреждения компонента. В то время как результаты испытаний являются репрезентативными только для одного прогона покрытия, Thorlabs указывает пороговые значения повреждения, которые учитывают отклонения покрытия.

Непрерывные волны и длинноимпульсные лазеры

Когда оптический элемент поврежден лазером с непрерывной волной (CW), это обычно происходит из-за плавления поверхности в результате поглощения энергии лазера или повреждения оптического покрытия (антиотражения) [1]. Импульсные лазеры с длительностью импульса более 1 мкс можно рассматривать как непрерывные лазеры для обсуждения LIDT.

Когда длительность импульса составляет от 1 нс до 1 мкс, может произойти повреждение, вызванное лазером, либо из-за поглощения, либо из-за пробоя диэлектрика (поэтому пользователь должен проверить как CW, так и импульсный LIDT). Поглощение происходит либо из-за внутреннего свойства оптики, либо из-за неровностей поверхности; таким образом, значения LIDT действительны только для оптики, соответствующей или превышающей характеристики качества поверхности, указанные производителем. В то время как многие оптики могут работать с мощными CW-лазерами, цементированные (например, ахроматические дублеты) или высоко поглощающие (например, ND-фильтры) оптики, как правило, имеют более низкие пороги повреждения CW. Эти более низкие пороговые значения обусловлены поглощением или рассеянием в цементном или металлическом покрытии.

LIDT в линейной плотности мощности в зависимости от длины импульса и размера пятна. Для длинных импульсов до CW линейная плотность мощности становится постоянной с размером пятна. Этот график был получен из [1].

Импульсные лазеры с высокими частотами следования импульсов (PRF) могут вести себя аналогично CW-лучам. К сожалению, это сильно зависит от таких факторов, как поглощение и температуропроводность, поэтому нет надежного метода определения, когда лазер с высоким PRF повредит оптику из-за тепловых эффектов. Для лучей с высоким PRF среднюю и пиковую мощности следует сравнивать с эквивалентной мощностью CW. Кроме того, для высокопрозрачных материалов практически нет снижения LIDT при увеличении PRF.

Для того чтобы использовать указанный порог повреждения CW оптики, необходимо знать следующее:

1. Длина волны вашего лазера
2. Диаметр луча вашего луча (1 / e2)
3. Примерный профиль интенсивности вашего луча (например, гауссовский)
4. Линейная плотность мощности вашего луча (общая мощность, деленная на диаметр луча 1 / e2)

Thorlabs выражает LIDT для непрерывных лазеров как линейную плотность мощности, измеренную в Вт / см. В этом режиме LIDT, заданный как линейная плотность мощности, может применяться к любому диаметру луча; не нужно вычислять скорректированный LIDT, чтобы скорректировать изменения размера пятна, как показано на графике справа. Средняя линейная плотность мощности может быть рассчитана с использованием уравнения ниже.

Вышеуказанный расчет предполагает равномерный профиль интенсивности пучка. Теперь вы должны учесть горячие точки в пучке или других неоднородных профилях интенсивности и примерно рассчитать максимальную плотность мощности. Для справки, гауссовский луч обычно имеет максимальную плотность мощности, которая в два раза больше, чем у равномерного луча (см. Справа внизу).

Теперь сравните максимальную плотность мощности с той, которая указана как LIDT для оптики. Если оптика была испытана на длине волны, отличной от используемой рабочей длины волны, пороговое значение повреждения должно быть соответствующим образом масштабировано. Хорошее эмпирическое правило заключается в том, что порог повреждения имеет линейную зависимость от длины волны, так что при переходе на более короткие волны порог повреждения уменьшается (т. Е. LIDT 10 Вт / см при 1310 нм масштабируется до 5 Вт / см при 655 нм):

Хотя это практическое правило обеспечивает общую тенденцию, оно не является количественным анализом LIDT в зависимости от длины волны. Например, в применениях непрерывного действия повреждение масштабируется сильнее с поглощением в покрытии и подложке, которое не обязательно хорошо масштабируется с длиной волны. Хотя приведенная выше процедура обеспечивает хорошее эмпирическое правило для значений LIDT, пожалуйста, свяжитесь с Техническая поддержка если ваша длина волны отличается от указанной длины волны LIDT. Если ваша плотность мощности меньше, чем настроенный LIDT оптического элемента, то оптический элемент должен работать для вашего приложения.

Обратите внимание, что у нас есть встроенный буфер между указанными порогами повреждения в режиме онлайн и проведенными нами тестами, который учитывает различия между партиями. По запросу мы можем предоставить индивидуальную информацию о тестировании и сертификат тестирования. Анализ повреждений будет проводиться по аналогичной оптике (оптика клиента не будет повреждена). Тестирование может привести к дополнительным расходам или времени выполнения заказа. контакт Техническая поддержка для дополнительной информации.

Импульсные лазеры

Как указывалось ранее, импульсные лазеры, как правило, вызывают повреждения зрительного нерва другого типа, чем лазеры непрерывного действия. Импульсные лазеры часто недостаточно нагревают оптику, чтобы повредить ее; вместо этого импульсные лазеры создают сильные электрические поля, способные вызвать диэлектрический пробой в материале. К сожалению, может быть очень трудно сравнить спецификацию LIDT оптики с вашим лазером. Существует несколько режимов, в которых импульсный лазер может повредить оптику, и это основано на длине импульса лазера. Выделенные столбцы в таблице ниже обозначают соответствующие длительности импульсов для наших указанных значений LIDT.

Импульсы короче 10-9 с не могут сравниться с нашими указанными значениями LIDT с большой надежностью. В этом режиме ультракоротких импульсов доминирующим механизмом повреждения становится различная механика, такая как многофотонно-лавинная ионизация [2]. Напротив, импульсы от 10-7 с до 10-4 с могут вызвать повреждение оптического элемента либо из-за пробоя диэлектрика, либо из-за теплового воздействия. Это означает, что пороги CW и импульсного повреждения должны сравниваться с лазерным лучом, чтобы определить, подходит ли оптика для вашего применения.

Длительность импульса t <10–9 с 10–9 <t <10–7 с 10–7 <t <10–4> 10–4 с Механизм повреждения Лавина Ионизация Разрушение диэлектрика Разрушение диэлектрика или термическое тепловое повреждение Соответствие спецификациям Сравнение отсутствует ( Смотри выше) Импульсный и CW CW

При сравнении LIDT, указанного для импульсного лазера, с вашим лазером, важно знать следующее:

LIDT по плотности энергии в зависимости от длины импульса и размера пятна. Для коротких импульсов плотность энергии становится постоянной с размером пятна. Этот график был получен из [1].

1. Длина волны вашего лазера
2. Плотность энергии вашего луча (общая энергия, деленная на площадь 1 / e2)
3. Длина импульса вашего лазера
4. Частота повторения импульсов (prf) вашего лазера
5. Диаметр луча вашего лазера (1 / e2)
6. Примерный профиль интенсивности вашего луча (например, гауссовский)

Плотность энергии вашего луча должна быть рассчитана в Дж / см2. На графике справа показано, почему выражение LIDT в качестве плотности энергии обеспечивает наилучшую метрику для источников коротких импульсов. В этом режиме LIDT, заданный как плотность энергии, может применяться к любому диаметру пучка; не нужно вычислять скорректированный LIDT, чтобы приспособиться к изменениям в размере пятна. Этот расчет предполагает однородный профиль интенсивности пучка. Теперь вы должны отрегулировать эту плотность энергии с учетом горячих точек или других неоднородных профилей интенсивности и приблизительно рассчитать максимальную плотность энергии. Для справки, гауссов луч, как правило, имеет максимальную плотность энергии, которая в два раза больше, чем у луча 1 / e2.

Теперь сравните максимальную плотность энергии с той, которая указана в качестве LIDT для оптики. Если оптика была испытана на длине волны, отличной от используемой рабочей длины волны, пороговое значение повреждения должно быть соответствующим образом масштабировано [3]. Хорошее эмпирическое правило заключается в том, что порог повреждения имеет обратную зависимость квадратного корня от длины волны, так что при переходе к более коротким длинам волны порог повреждения уменьшается (т. Е. LIDT 1 Дж / см2 при 1064 нм масштабируется до 0,7 Дж / см2 при 532 нм):

Теперь у вас есть плотность энергии с регулировкой длины волны, которую вы будете использовать на следующем шаге.

Диаметр луча также важно знать при сравнении порогов повреждения. В то время как LIDT, выраженный в единицах Дж / см², масштабируется независимо от размера пятна; большие размеры пучка с большей вероятностью могут осветить большее количество дефектов, которые могут привести к большим отклонениям в LIDT [4]. Для данных, представленных здесь, для измерения LIDT использовался размер луча <1 мм. Для пучков с размерами более 5 мм LIDT (Дж / см2) не будет масштабироваться независимо от диаметра пучка из-за того, что пучок большего размера подвергает большему количеству дефектов.

Длина импульса теперь должна быть компенсирована. Чем дольше длительность импульса, тем больше энергии может выдержать оптика. Для длительностей импульсов от 1 до 100 нс, аппроксимация выглядит следующим образом:

Используйте эту формулу для расчета скорректированного LIDT для оптики на основе вашей длительности импульса. Если ваша максимальная плотность энергии меньше, чем эта скорректированная максимальная плотность энергии LIDT, тогда оптика должна подходить для вашего применения. Имейте в виду, что этот расчет используется только для импульсов от 10-9 с до 10-7 с. Для импульсов от 10-7 с до 10-4 с необходимо также проверить CW LIDT, прежде чем выбрать оптику, подходящую для вашего применения.

Обратите внимание, что у нас есть встроенный буфер между указанными порогами повреждения в режиме онлайн и проведенными нами тестами, который учитывает различия между партиями. По запросу мы можем предоставить индивидуальную информацию о тестировании и сертификат тестирования. контакт Техническая поддержка для дополнительной информации.

[1] RM Wood, Оптика и лазерная техника . 29 , 517 (1998).
[2] Роджер М. Вуд, Лазерное повреждение оптических материалов (Издательство Института Физики, Филадельфия, Пенсильвания, 2003).
[3] CW Carr et al ., Phys. Преподобный Летт. 91 , 127402 (2003).
[4] Н. Bloembergen, Appl. Оптик 12 , 661 (1973).